Просыпаясь среди ночи, я испытываю соблазн тут же взглянуть на часы, хотя и так знаю, который час. Я всегда пробуждаюсь в одно и то же время: в 4 часа утра или в 4:10; как-то раз в непостижимой веренице ночей мне случилось подниматься ровно в 4:27. Не глядя на часы, я в состоянии определить время по шуму радиаторной батареи у моей кровати, когда в зимнюю пору она разводит пары, или нестройному гулу проносящихся за окном машин. «Вокруг спящего человека протянута нить часов, чередой располагаются года и миры, – пишет Пруст. – Пробуждаясь, он инстинктивно сверяется с ними, мгновенно в них вычитывает, в каком месте земного шара он находится, сколько времени прошло до его пробуждения».
Сознаем мы это или нет, но каждый час мы занимаемся тем же, что и лирический герой Пруста. В психологии это называется ориентацией во времени; способность распознавать время суток, дату и год без часов и календаря служит отличительным признаком сформированности чувства времени. Попытки разобраться в механизме становления ориентации во времени породили бессчетное количество научных трудов. Опрашивая прохожих на улице в ходе одного из экспериментов, ученые задавали респондентам простой вопрос: «Какой сегодня день?» – либо обращались к ним с просьбой подтвердить или опровергнуть то или иное заявление («Сегодня вторник»). В результате статистической обработки ответов, зафиксированных в протоколе опроса, выяснилось, что участники опроса быстрее определяли текущий день недели в выходные дни или накануне уик-энда. Раздумывая над ответом, некоторые из респондентов прибегали к ретроспективному анализу: «Вчера был день Х, значит сегодня день Y», тогда как другие более склонны вести отсчет от завтрашнего дня. Выбор точки отсчета зависел от того, какие выходные оказывались ближе – будущие или прошедшие. В понедельник и во вторник большинство из нас склонно вести отчет от вчерашнего дня, но с приближением пятницы точка отсчета смещается в сторону грядущего.
Возможно, мы идентифицируем свое положение во времени посредством тех или иных временных ориентиров. Подобно острову, маячащему на горизонте сзади или впереди по курсу, выходные служат нам ориентиром в попытке определить свое местонахождение в море времен. (В данном контексте очень показательно, насколько часто мы прибегаем к пространственным понятиям, рассуждая о времени: к примеру, до начала следующего года еще «далеко», девятнадцатый век – это «глубокое прошлое», а мой день рождения «приближается», как будто речь идет о поезде, подходящем к станции.) Возможно, в мыслях мы составляем список вероятных наименований сегодняшнего дня недели, а затем вычеркиваем неподходящие варианты до тех пор, пока не остается верный ответ. («Вероятно, сегодня вторник; во всяком случае, сегодня точно не среда, потому что утром в среду я хожу в спортзал, а сейчас у меня нет с собой спортивной сумки».) Так или иначе, ни одна модель не дает исчерпывающего объяснения, каким образом в середине недели происходит сдвиг временных ориентиров, почему по мере приближения выходных наша привычка мысленно апеллировать к прошлому постепенно сходит на нет. К какой бы методике отсчета мы ни прибегли, фактически мы погружаемся в бесконечные расчеты временных координат по секундам, минутам, дням и годам. Пробуждаясь ото сна, выходя из кино, отрывая глаза от увлекательной книги, мы задаем себе один и тот же вопрос: «Где я? На каком отрезке времени я нахожусь?» Потеряв счет времени, мы не можем сразу попасть в его ритм.
Мое умение точно определять время в момент пробуждения ночью вытекает из простейших навыков индукции: когда я в последний раз проснулся среди ночи, на часах, как и в прежних случаях, было 4:27, следовательно, сейчас тоже должно быть около половины пятого. Вопрос стоит иначе: в чем истоки такого постоянства? «На протяжении всей жизни меня поражала способность просыпаться в одно и то же время с точностью до минуты из ночи в ночь, из утра в утро, хотя эта привычка, скорее всего, была счастливой случайностью», – писал Уильям Джеймс. Лично я в минуты пробуждения остро осознаю себя орудием какой-то сторонней силы, как будто во мне спрятан некий аппарат, а сам я – лишь дух, заключенный в машине.
Так или иначе, как только дух начинает мыслить, пищи для размышлений у него более чем достаточно – особенно отчетливо на этом фоне проступают мысли о том, как мало у меня времени, чтобы управиться с делами, которые не дают мне покоя, и насколько я отстаю от графика. «Ваша книга видится мне в образе проекции на мой календарь, – писал мне редактор издания. – Мне важно знать, в каком положении находятся дела». Я начал работу над проектом за несколько недель до того, как у Сьюзен родились близнецы, наши первые и единственные дети. Оглядываясь назад, могу сказать, что расписание было составлено не лучшим образом. Друзья и родственники в охотку подшучивали, что если все мои старания вписаться в график пойдут прахом, переживать не стоит: мои дети доведут дело до конца.
На самом деле миг пробуждения среди ночи, как бы остро он ни ощущался, умиротворяет в той же степени, что и внушает тревогу. Мне кажется, что переживать такие мгновения – все равно что обнаружить себя в яйце. Такая мысль осенила меня однажды вечером как раз перед отходом ко сну, я тут же записал ее в блокноте, который всегда дежурит у моей кровати. Когда впоследствии ровно в 4:27 (как я полагаю) мне пришлось лично испытать на себе это состояние, я был одновременно удивлен и восхищен точности найденной формулировки, как будто, засыпая, я проваливаюсь внутрь того самого яйца, а когда просыпаюсь, чувствую себя желтком, парящим на мягких воздушных подушках над массивом настоящего. Я знаю, что так не может продолжаться вечно. Утром часы и минуты снова вступят в свои права и иллюзия бесконечно растягиваемого времени испарится, как роса, или укроется за семью замками в недосягаемом тридевятом царстве, а я выберусь из скорлупы, раздумывая, как бы вернуться обратно. Тем и ужасно бремя современности, лелеющей мечту о бесконечном времени внутри тесной картонки с яйцами. Но все эти озарения случатся завтра, а пока у моей кровати все еще раздается тиканье часов, удивительно похожее на щелчки кухонного таймера для варки яиц или приглушенный стук сердца.
В один прекрасный день человек вошел в пещеру и провел много дней и ночей в полном одиночестве, не видя солнечного света. Рассветы и закаты проходили стороной, поэтому смена дня и ночи оставалась незамеченной; у затворника не было при себе часов – ни стационарных, ни наручных, так что вести счет часам и секундам не представлялось возможным. Чем же занимался отшельник? Писал, читал Платона и обдумывал свое будущее. Оставшись наедине со временем, он продержался довольно долго, но все же дело пошло не совсем так, как он рассчитывал.
МИГ ПРОБУЖДЕНИЯ СРЕДИ НОЧИ УМИРОТВОРЯЕТ В ТОЙ ЖЕ СТЕПЕНИ, ЧТО И ВНУШАЕТ ТРЕВОГУ. ПЕРЕЖИВАТЬ ТАКИЕ МГНОВЕНИЯ – ВСЕ РАВНО ЧТО ОБНАРУЖИТЬ СЕБЯ В ЯЙЦЕ
Таковы были итоги первого хронобиологического эксперимента Мишеля Сифра, поставленного в 1962 году. Во время исследования пещеры на юге Франции французский геолог Мишель Сифр в возрасте двадцати трех лет открыл подземный ледник Скарассон. Мир был охвачен холодной войной и космической гонкой; активно муссировались темы противорадиационных укрытий и космических капсул. Сифра, как и многих ученых, интересовала проблема адаптации человека к условиям депривации солнечного света и общественной изоляции. Изначально он намеревался провести в недрах две недели, занимаясь исследовательской работой, но вскоре решил задержаться там на два месяца, изучая то, что он позже назовет «идеей жизни». А тогда Сифр просто поведал журналу Cabinet, что собирается некоторое время пожить в пещере «жизнью животного», «в полной темноте, вне хода времени».
Ученый поставил в пещере палатку и походную кровать со спальником и приступил к делу: спал, пробуждался и принимал пищу по желанию, между делом вел дневник, в котором описывал свои занятия. Лампа, которая позволяла ему читать, исследовать ледник и передвигаться в темноте, получала электропитание от маломощного генератора. Сифр постоянно мерз, его обувь никогда не просыхала, а единственным средством связи с земной поверхностью служил телефон, с которого он регулярно звонил коллегам наверху, отчитываясь о своих успехах и частоте пульса. Помощникам Сифра были даны строгие указания не давать ученому никаких сведений о текущей дате и времени суток.
Сифр вошел в пещеру 16 июля, планируя оставаться в подземелье до 14 сентября. Когда на его пещерном календаре было 20 августа, коллеги объявили, что срок эксперимента подошел к концу; время вышло. По субъективным ощущениям ученого, со дня начала эксперимента прошло только тридцать пять дней – тридцать пять циклов сна, бодрствования и бессмысленных телодвижений, хотя часы твердили, что миновало шестьдесят дней. Так быстро пролетело время.
Волею случая Сифр сделал несколько важных открытий в биологии человека. К тому времени науке уже были известны циркадные ритмы растений и животных, в основе которых лежит природная способность следовать суточному циклу продолжительностью примерно двадцать четыре часа. (Название термина происходит от латинского выражения circa diem, что значит «около суток».) В 1729 году французский астроном Жан-Жак д’Орту де Меран заметил, что растение гелиотроп, листья которого разворачиваются на рассвете и сворачиваются в сумерки, ведет себя аналогичным образом даже в затемненном помещении, как будто способность различать день и ночь укоренена в его природе. Манящие крабы в целях маскировки, независимо от наличия или отсутствия дневного света, меняют окраску по фиксированному суточному графику – от серого к черному и наоборот. Плодовые мушки выходят из куколочных камер строго на рассвете, когда относительная влажность воздуха достигает пиковых значений. Это адаптивное свойство препятствует пересыханию крыльев молодых насекомых. При этом внутренний циркадный цикл не всегда точно совпадает с суточным циклом чередований света и темноты; у некоторых организмов циркадный цикл чуть длиннее суток, у других, напротив, время бежит быстрее. Гелиотроп, находившийся в темной комнате слишком долго, в конечном итоге выпадает из естественного суточного ритма, что роднит его с моими наручными часами, которые не улавливают сигналов точного времени по радио и со спутников, и поэтому их требуется ежедневно настраивать заново.
В 1950-х годах стало известно о существовании внутренних циркадных часов и у человека. В 1963 году Юрген Ашофф, возглавлявший отдел по изучению биоритмов и циклов поведения в научном учреждении, которое тогда называлось Институтом физиологии поведения имени Макса Планка, оборудовал опытную площадку на базе светонепроницаемого бункера. Участники экспериментов проводили в нем по нескольку недель, пока ученый наблюдал динамику физиологических процессов в условиях депривации. Иметь при себе механические часы не допускалось. Эксперимент Сифра в пещере Скарассон послужил одним из первых доказательств того, что циркадный ритм человека не равен в точности двадцати четырем часам. Продолжительность периода бодрствования у Сифра варьировала изо дня в день, начиная с шестичасового минимума и заканчивая сорокачасовым максимумом при среднем значении двадцать четыре часа и тридцать минут. Вскоре из-за расхождения суточных ритмов циклы сна и бодрствования у Сифра перестали совпадать со сменой дня и ночи на поверхности Земли. Ощутив себя в роли животного, предоставленного самому себе и своим собственным представлениям о жизни, он поразился до глубины души. Спустившись в земные недра с намерением изучить влияние крайней изоляции на состояние человеческой психики, Сифр непреднамеренно стал отцом новой науки – хронобиологии человека, чувствуя себя при этом «полусумасшедшей куклой-марионеткой, разболтанной во всех суставах».
Из всех существительных американского английского слово «время» употребляется наиболее часто. Но попробуйте спросить кого-то из ученых, специализирующихся на времени, что представляет собой предмет их изучения, и в ответ неизменно последует встречный вопрос: «Что вы имеете в виду, когда говорите о времени?»
Перед тем как беседовать с учеными, вы уже кое-что разузнали. Возможно, вы, как и я, поначалу попытаетесь уточнить, что речь идет о «восприятии времени» и разнице между объективным временем и вашим субъективным ощущением времени. Дихотомия понятий времени предполагает иерархическое ранжирование по критерию истинности. Первоочередное значение имеет время, которое показывают приборы – наручные или настенные часы, так как именно оно, как правило, воспринимается как истинное или фактическое. Далее следует субъективное восприятие времени – оно может более или менее точно равняться на объективное время либо вовсе не полагаться на показания механических часов. Я пришел к выводу, что дихотомия между объективным и субъективным временем если не бессмысленна, то по меньшей мере бесполезна: оставаясь в ее рамках, трудно понять, где зарождается время и куда оно движется с общечеловеческой точки зрения.
Впрочем, я забегаю вперед. Сама возможность восприятия времени активно обсуждается в научной литературе с незапамятных времен; это один из древнейших камней преткновения. Психологи и нейробиологи большей частью сходятся на том, что непосредственное восприятие времени невозможно. Все пять чувств – вкус, осязание, обоняние, зрение и слух – поддерживаются конкретными органами, реагирующими на конкретные физические явления. Слух подразумевает движения барабанной перепонки внутреннего уха, вызванные колебаниями молекул воздуха; зрение – результат раздражения фотонами специализированных нервных клеток глазного дна. В человеческом организме нет ни единого органа, который отвечал бы за чувство времени. Подобно собакам, крысам и большей части лабораторных животных, среднестатистический человек в состоянии ощутить разницу между звуками разной длительности: к примеру, три секунды и пять секунд. В то же время ученые до сих пор ломают копья, пытаясь выяснить, каким образом животному мозгу удается так точно отслеживать ход времени.
Подбирая ключ к разгадке тайны физиологических проявлений времени, следует четко уяснить, что, когда мы говорим о времени, мы обращаемся к разным граням человеческого опыта, которые никак не соприкасаются друг с другом:
Период осуществления – определяемое количество времени, прошедшее между двумя конкретными событиями, или точно установленные сроки наступления того или иного события в будущем.
Последовательность во времени – различимый порядок осуществления событий.
Грамматическое время – различение категорий прошедшего, настоящего и будущего наряду с пониманием того, что завтра и вчера лежат по разные стороны временного отрезка.
Чувство настоящего момента – субъективное переживание течения времени в текущий момент, принимающее произвольные формы.
Достаточно заметить, что споры о сущности времени порою вводят в замешательство, так как при этом мы используем одно и то же слово для описания множественных пластов психологического опыта. С точки зрения знатока наук, за словом «время» стоит такое же общее родовое понятие, как и за словом «вино». Различные грани опыта переживания времени, такие как период осуществления, последовательность, синхронность, грамматические временные категории и т. д., восходят к фундаментальным слоям нашей психики, поэтому мы воспринимаем их как природную данность, не удосуживаясь отличать одно от другого. Но такое положение дел существует только для зрелого сознания. С точки зрения возрастной психологии понимание времени приходит к нам постепенно. Одно из озарений случается в первые месяцы жизни, когда мы учимся различать «сейчас» и «не-сейчас», хотя первые ростки осознания проклевываются намного раньше, в период внутриутробного развития. Дети четко уясняют разницу между прошедшим и будущим только с четырех лет. С возрастом приходит более глубокое понимание временного промежутка и односторонней направленности движения времени. Наше понимание времени едва ли свойственно нам изначально, как предполагал Кант. Время не просто пробирается в нас – на окончательное завершение процесса уходят годы.
* * *
Мы постоянно думаем о времени: оцениваем его протяженность, рассматриваем вчера и завтра, отделяем прошлое от будущего. Мы живем во времени, предвкушая те или иные события, углубляясь в воспоминания и отмечая его течение. В общем и целом речь идет о сознательном переживании времени, которое, по всей видимости, присуще только нашему виду. Но в основе всех процессов жизнедеятельности, не требующих осмысления, лежит все тот же циркадный ритм – время дней, которым пронизано существование всех форм жизни, когда-либо встречавшихся на нашей планете на протяжении последних четырех миллиардов лет. Для чисто биологического феномена он вызывающе механистичен и предсказуем, а за два последних десятилетия наука далеко продвинулась в деле постижения его генетических и биохимических основ. Среди множества внутренних часов нашего организма циркадные часы, пожалуй, изучены наиболее полно. Если уподобить научное исследование человеческого времени путешествию, то в начале пути, приступив к изучению циркадных ритмов, вы будете твердо ощущать почву под ногами и дорога к знанию будет ярко освещена полуденным солнцем, но потом ровная дорога заведет вас в болото, а вокруг сгустятся сумерки.
ПЕРЕВЕСТИ ЭНДОГЕННЫЕ ЦИРКАДНЫЕ ЧАСЫ С АВТОМАТИКИ В РЕЖИМ РУЧНОГО УПРАВЛЕНИЯ НЕ ТАК ПРОСТО, КАК КАЖЕТСЯ, ИНАЧЕ ИХ ВООБЩЕ НЕ ПРИНИМАЛИ БЫ В РАСЧЕТ
Циркадный ритм обычно ассоциируется с единичным циклом сна и бодрствования, но эта аналогия не дает адекватного представления о феномене: хотя циркадные часы оказывают некоторое влияние на режим сна, последний остается подвластен контролю сознания. Человек волен выбирать, быть ему ранней пташкой или совой, которая дремлет весь день и бодрствует ночью, а то и вовсе на несколько суток забыть о сне. Однако перевести эндогенные циркадные часы с автоматики в режим ручного управления не так просто, как кажется, иначе их вообще не принимали бы в расчет.
Наблюдение за суточными колебаниями температуры тела дает более адекватное представление о циркадных ритмах организма. По крайней мере, человеческого – так точно. Мы часто слышим утверждение, что средняя температура тела здорового человека равна 98,6 °F, или 37 °C (в действительности 98,4 °F, или 36,9 °C), но это не более чем усредненные данные. Диапазон колебаний температуры тела в течение суток составляет около двух градусов: пиковые значения регистрируются в районе полудня, после чего температура тела начинает снижаться, достигая минимума в предрассветные часы, незадолго до пробуждения. Существуют индивидуальные различия в амплитуде колебаний температуры тела и продолжительности температурного пика, к тому же болезненное состояние и физические упражнения тоже могут добавить жару. Тем не менее нам некуда деваться от внутреннего часового механизма, управляющего ежедневными подъемами и спадами температуры тела.
Другие функции организма также строго повинуются циркадным ритмам. Разброс частоты сердечных сокращений в состоянии покоя у одного и того же человека варьирует в пределах двадцати четырех ударов в минуту в зависимости от времени суток. Продолжительность цикла колебаний кровяного давления приближается к суткам. Самые низкие показатели отмечаются между двумя и четырьмя часами утра, днем давление начинает повышаться и примерно в полдень достигает максимума. Выделение мочи в ночное время сокращается не только потому, что мы потребляем меньше жидкости, но и за счет гормонов, стимулирующих процессы реабсорбции воды в почках. К слову, активность эндокринных желез также подчинена циркадным ритмам. Очень удобно планировать дела, сверяясь с циркадными часами. В середине дня отмечается лучшая координация движений и минимальное время реакции; сердце и мышцы работают с максимальной отдачей с пяти до шести часов вечера, а способность переносить боль достигает пика ранним утром – это идеальное время для визитов к стоматологу. Расщепление алкоголя замедляется от десяти часов вечера до восьми часов утра. В вечернее время одна и та же порция спиртного задерживается в организме намного дольше, чем в утренние часы, так что вечером вы опьянеете сильнее, чем утром. От полуночи до четырех часов утра наблюдается активное деление клеток кожи, а волосяной покров на мужском лице в течение дня отрастает быстрее, чем ночью. Мужчина, который бреется вечером, едва ли обнаружит на своем лице щетину, проснувшись в пять часов утра.
Циркадные ритмы оказывают сильнейшее влияние на здоровье человека. Большая часть инсультов и сердечных приступов случается в поздние утренние часы, когда происходит быстрый подъем кровяного давления. Эффективность лекарственных препаратов также существенно меняется в зависимости от времени приема в силу естественных колебаний уровня гормонов на протяжении суток, которые все чаще принимают во внимание врачи и администрации больниц. То же самое справедливо и в отношении животных всех видов. В ходе одного неудачного эксперимента потенциально летальная доза адреналина в одном случае убила всего шесть процентов лабораторных крыс, тогда как во втором случае погибло семьдесят восемь процентов животных исключительно за счет времени, выбранного для введения препарата. Некоторые инсектициды обнаруживают максимальную поражающую силу в отношении целевых видов в полдень. Циркадные ритмы также отображаются на настроении и интеллектуальной продуктивности. Во время одного исследования респондентам давали задание вычеркнуть все найденные в текстах журнальных публикаций буквы «е» в течение получаса. Наихудшие результаты были получены в восемь часов утра, наилучшие – в полдевятого вечера.
Концентрация внимания также подчинена циркадным ритмам, причем периоды максимальной и минимальной концентрации внимания совпадают с периодами максимальной и минимальной температуры тела. Период минимальной концентрации внимания, который математик Стивен Строгац называл зоной зомби, у большинства людей приходится на предрассветные часы, из чего следует, что производительность труда в ночную смену на порядок ниже, чем может показаться самим работникам. По данным исследований, самая медленная реакция на телефонные звонки и сигналы уведомления у рабочих ночных смен отмечалась между тремя и пятью часами утра; одновременно возрастает вероятность неверного снятия отсчета. В это время произошли крупнейшие техногенные катастрофы, спровоцированные влиянием человеческого фактора: аварии на АЭС в Чернобыле и Три-Майл-Айленд, Бхопальская катастрофа и выброс нефти с танкера «Эксон Вальдез». Нашему виду свойственно удивительное стремление развлекать внутреннего зомби, но заигрывание с ним может вызвать плачевные последствия, которых в свете последних научных данных обнаруживается все больше и больше.
Тиканье часов отсчитывает время, причем задавать такт может все что угодно, при условии достаточной надежности и постоянства хода: колебания атомов, движение маятника с грузом, вращение планет вокруг своей оси или вокруг Солнца. Тикает даже обыкновенная груда угля. Уголь состоит из атомов, в ядре каждого атома углерода-12 обыкновенно содержится шесть протонов и шесть нейтронов, хотя с вероятностью один на триллион вам может встретиться изотоп углерода-14, у которого на шесть протонов приходится восемь нейтронов. Соотношение количества атомов углерода-14 к количеству атомов углерода-12 в живой материи относительно стабильно, но спустя некоторое время после прекращения процессов жизнедеятельности данный показатель начинает снижаться, так как изотопы углерода-14 в результате ядерного распада постепенно превращаются в атомы азота. В среднем период полураспада радиоуглерода составляет около 5700 лет. Таким образом, зная скорость радиоактивного распада углерода-14 и изначальное отношение числа изотопов углерода-14 к числу атомов углерода-12, содержащихся в груде угля, нетрудно рассчитать возраст угля в тысячах лет. Уголь, как и прочие ископаемые органического происхождения, служит счетчиком геологических эпох.
Способность часов, в роли которых может выступать планета, маятник, атом или горные породы, отсчитывать такты не сходит с повестки дня долгое время и порождает множество философских споров. Солнечные часы ведут учет времени, ориентируясь по положению тени относительно циферблата, на который нанесены числовые символы, обозначающие часы. Действительно ли солнечные часы отсчитывают время или это делаете вы, глядя на часы? Существует ли время независимо от сознания, отсчитывающего ход часов? «Будет ли в отсутствие души существовать время или нет? – рассуждал Аристотель. – Ведь если не может существовать считающее, не может быть и считаемого». Попробуйте решить задачку, отчасти напоминающую небезызвестный коан о падающем дереве в лесу: может ли куча угля считаться часами, если поблизости нет ни одного ученого, который мог бы замерить отношение количества содержащихся в ней атомов углерода-14 к количеству атомов углерода-12? Блаженный Августин был твердо убежден, что время коренится в попытках его измерить и, как следствие, выступает феноменом человеческого сознания. Отголоски идей Августина звучат в размышлениях покойного физика Ричарда Фейнмана, заметившего, что определение, данное феномену времени в толковых словарях, движется по замкнутому кругу, описывая время как период, который характеризуется продолжительностью во времени. «В действительности важно не определение, а измерение времени», – уточняет Фейнман.
Внутри биологических часов тикают как составляющие клетки – гены и протеины, так и постоянный диалог между ними. В каждой живой клетке содержится ДНК в виде плотно упакованных последовательностей генетического материала. У эукариотов, самой многочисленной группы живых организмов, в которую входят все виды животных и растений, ДНК располагается внутри клеточного ядра, окруженного мембраной. Каждая ДНК-последовательность (у человека их двадцать три) образует двойную спираль из двух цепочек, соединенных между собой по центру наподобие застежки-молнии. Каждая из цепочек состоит из нуклеотидов, которые входят в состав генов различной продолжительности. Структура ДНК необыкновенно динамична: спираль периодически разъединяется, обеспечивая возможность экспозиции генов. С рабочего гена снимается копия, которая впоследствии выходит из ядра в цитоплазму клетки, где происходит синтез белков различных видов в соответствии с кодом исходной матричной ДНК. Представьте себе поглощенного работой архитектора на необитаемом острове, пересылающего заказчику на континент чертежи, по которым выпускают разнообразную робототехнику, и вы поймете, что это такое.
Большая часть генов кодирует структуру белков, выполняющих определенные функции внутри самой клетки. Белки входят в состав молекул, катализируют метаболические реакции и обеспечивают репарацию внутренних дефектов. Два гена, ответственных за работу циркадных часов, кардинально отличаются от структурных генов – они кодируют структуру двух видов белков, которые накапливаются в цитоплазме и в конечном итоге возвращаются обратно в ядро, где соединяются с активаторами исходных генов, препятствуя их экспрессии. Вкратце говоря, клеточные часы состоят из намного большего числа компонентов, чем пара генов, обладающих способностью самопроизвольно прекращать экспрессию при содействии различных медиаторов. Архитектор, о котором мы говорили, не просто посылает чертежи – послания, запечатанные в бутылки, адресованы будущему. Когда в море наберется достаточное количество бутылок, послание достигнет адресата и скомандует: «Пора вздремнуть».
Когда архитектор спит, гены внутренних часов стоят, синтез белка прекращается. Белковые молекулы, синтезированные ранее, растворяются в цитоплазме. Больше они не просочатся в ядро, и гены, которые ранее были блокированы, возобновят экспрессию и продолжат издавать приказы о синтезе белков. Процесс носит циклический характер – именно этого и добивался естественный отбор. При этом примечательно не то, что производится в течение цикла (вся продукция носит умозрительный характер – ничего вещественного), а сроки его реализации: прохождение полного цикла, которое запускается в момент первой активации генетических часов, затем останавливается и запускается снова, занимает в среднем двадцать четыре часа. В результате продуктом цикла становится не молекула, а определенный промежуток времени. В сердечной ткани эндогенные часы генерируют ритм в результате неспешной беседы ДНК клетки и протеин-синтезирующих структур, которая тянется около двадцати четырех часов. Внутренние часы тикают в такт своему ритму, даже если их хозяин, будь то человек, мышь, дрозофила или цветок, сутками удерживается в темноте. В силу того, что цикл генетических часов не в полной мере совпадает с суточным циклом, расхождение циркадных ритмов с астрономическим временем будет усиливаться с каждым днем. И напротив, регулярное пребывание на солнце обнуляет эндогенные часы и производит регулировку по астрономическому времени. В диалоге ДНК клетки и протеин-синтезирующих структур солнечный свет играет роль круглосуточного модератора – не вмешиваясь в разговор ежесекундно, он направляет беседу в нужное русло.
ВНУТРЕННИЕ ЧАСЫ ТИКАЮТ В ТАКТ СВОЕМУ РИТМУ, ДАЖЕ ЕСЛИ ИХ ХОЗЯИН, БУДЬ ТО ЧЕЛОВЕК, МЫШЬ, ДРОЗОФИЛА ИЛИ ЦВЕТОК, СУТКАМИ УДЕРЖИВАЕТСЯ В ТЕМНОТЕ
Современная наука почерпнула большую часть сведений о циркадных часах из трудов по зоологии. В 1950-х годах Сеймур Бензер и Рональд Конопка произвели серию экспериментов с дрозофилами, ставших классикой биологической науки: опытным путем было установлено, что у плодовых мушек наблюдаются четкие околосуточные периоды активности. Более того, у некоторых лабораторных линий дрозофил продолжительность суточного цикла не равнялась строго двадцати четырем часам. Иногда расхождения были незначительными, иногда – довольно существенными. В результате скрещивания линий и последующей подстройки генетических параметров под единый стандарт биологи выявили гены, отвечающие за циркадные ритмы, и разработали базовую модель внутренних часов. Два гена, получившие названия per и tim (от англ. period – «период» и timeless – «безвременный»), кодируют структуры двух белков, соответственно названных PER и TIM. Далее два вида белков объединяются в одну молекулу; когда в цитоплазме набирается критическая масса данных молекул, они начинают поступать в ядро, подавляя экспрессию генов per и tim.
В ходе последующих исследований сходный механизм регуляции циркадных ритмов, в котором задействованы аналогичные структуры, был обнаружен у мышей, хотя следует отметить, что биологические часы мышей отличает большее количество аллельных вариантов ключевых генов и, как следствие, более широкий диапазон белковых продуктов. Те же генетические структуры выявляются и в клетках человека. Таким образом, эндогенные часы у всех животных, начиная с муравьев и пчел и заканчивая северными оленями и носорогами, устроены примерно одинаково. У растений свой внутренний часовой механизм, обеспечивающий своевременную продукцию репеллентов накануне утренних атак насекомых. Растения, у которых биологические часы функционируют без перебоев, меньше страдают от вредителей. Дженет Браам, цитолог Райсовского университета в Хьюстоне, США, с коллегами выяснили, что внутренние часы капусты, голубики и других садовых и огородных культур продолжают тикать даже после уборки урожая. Но под круглосуточным освещением овощной лавки или в постоянной темноте рефрижератора циркадные ритмы растений начинают расстраиваться, что проявляется нарушением циклических процессов выработки основных защитных веществ. Как следствие, растительная продукция утрачивает способность сопротивляться инфекциям, теряет вкус и питательную ценность. Потому-то наши овощи и влачат столь жалкое овощное существование.
Циркадному ритму подчиняется даже невзрачный с виду, но зато хорошо известный в научном сообществе плесневый грибок Neurospora, поражающий хлебобулочные изделия. Некоторые аспекты функционирования биологических часов, общие для растений и животных, тесно срослись с жизненным циклом клетки – это впечатляет до глубины души. У некоторых биологов закрадываются подозрения, что у всех живых существ установлены разные версии одних и тех же часов, заведенных семьсот миллионов лет назад, когда на Земле появились первые многоклеточные формы жизни. Рассуждения ученых служат мне утешением, когда я опять просыпаюсь в 4:27, остро сознавая смертность своего «я». Вероятно, я представитель единственного вида животных, которому свойственно осознавать неотвратимость конца. Траву, ожидающую солнечных лучей, совершенно не тревожит перспектива свести знакомство с газонокосилкой. Мое пробуждение подчинено тем же законам, что и пробуждение пчел, цветов заморского дерева, поставляющего кофе для моей кофеварки, и даже плесени, поразившей забытую на кухонной столешнице буханку хлеба. Все то же наследие природы продолжает тикать внутри нас, оповещая о ходе времени. А вести счет часам вправе тот, кто в состоянии это сделать.
* * *
Когда мы хотим узнать, который час, мы сверяемся с часами, поставленными на прикроватной тумбочке, бросаем взгляд на наручные часы или досаждаем друг другу одним и тем же вопросом: «Не подскажете ли, который час?»
Все это работает ровно до тех пор, пока не обнаруживается серьезное расхождение между показаниями двух часов. Которым из них верить? В таких случаях нам требуются еще одни часы на роль посредника: к примеру, башенные часы на городской площади, табельные часы у бригадира, настенные часы в кабинете директора школы, по которым дают звонок, возвещающий о конце школьного дня. Во избежание опозданий все мы должны достичь компромисса в отношении стандартов исчисления времени. Нам необходимо существовать в едином ритме времени. Собственно, сама жизнь складывается из бесконечных попыток адаптации к чужому времени.
То же справедливо и для клеток. В 1970-х годах стало ясно, что главный генератор циркадных ритмов у млекопитающих локализуется в одной из структур головного мозга, которая называется супрахиазматическим ядром и представляет собой парное скопление порядка двадцати тысяч специализированных нейронов в области гипоталамуса, расположенного у основания головного мозга. Функции нейронов супрахиазматического ядра синхронизированы друг с другом и с циркадными ритмами. Название супрахиазматического ядра отображает особенности локализации: оно располагается прямо над зрительной хиазмой – перекрестом зрительных нервов правого и левого глаза (такое расположение исключительно удобно для сбора информации о внешнем мире) – и отвечает за регулирование суточных колебаний температуры тела, кровяного давления, скорости деления клеток и других проявлений жизнедеятельности. В регуляции функций супрахиазматического ядра принимает участие солнечный свет, но в то же время оно способно функционировать автономно. В темноте пещеры или под немеркнущим светом период активности супрахиазматического ядра в среднем составляет 24,2 часа. У отдельных индивидуумов показатели отклоняются как в сторону уменьшения, так и в сторону увеличения продолжительности цикла, но в целом циклы супрахиазматического ядра более или менее совпадают с суточным циклом смены дня и ночи. В случае удаления супрахиазматического ядра у лабораторного грызуна или обезьяны саймири животное утрачивает циркадные ритмы. Колебания температуры тела, продукции гормонов и физической активности у прооперированных животных не подчиняются суточным закономерностям и не согласуются друг с другом за неимением генератора общего ритма. У хомяков, перенесших удаление супрахиазматического ядра, развиваются бессонница и сахарный диабет, они теряют навыки ориентации в пространстве и их движения становятся разрозненными. После пересадки клеток супрахиазматического ядра циркадные ритмы у подопытных животных восстанавливаются, однако при этом воспроизводится цикл активности донора.
ВНУТРИ НАС ТИКАЮТ ТРИЛЛИОНЫ МОЛЕКУЛЯРНЫХ ЧАСОВ. ВСЕ ЭТИ ЧАСЫ ПОТЕНЦИАЛЬНО СПОСОБНЫ ФУНКЦИОНИРОВАТЬ В АВТОНОМНОМ РЕЖИМЕ, ПОДЧИНЯЯСЬ СОБСТВЕННОМУ РИТМУ
Вместе с тем скопления нейронов супрахиазматического ядра далеко не единственные эндогенные часы, которыми мы располагаем. За прошедшие десять лет было установлено, что почти у каждой клетки человеческого организма есть свои собственные внутренние часы. Мышечные и жировые клетки, клетки поджелудочной железы, печени, легких, сердца и других внутренних органов живут в собственном циркадном ритме. В ходе изучения историй болезни двадцати пяти пациентов, перенесших пересадку почки, выяснилось, что у семи человек пересаженная почка отказывалась подчиняться циркадным ритмам реципиента, следуя тому же экскреторному циклу, что и в организме донора. У остальных восемнадцати пациентов пересаженные почки приспособились к биоритмам новых владельцев, но адаптация осуществлялась от противного: максимальная активность пересаженной почки приходилась на время минимальной активности «родной» почки и наоборот. Даже гены, которые принимают участие в биосинтезе белка, поддерживают клетку в функциональном состоянии, управляют нашей внутренней энергосистемой и в конечном счете определяют нашу сущность, придерживаются циркадного графика. До минувшего десятилетия считалось, что циркадным колебаниям экспрессивной активности подвержен лишь мизерный процент генома млекопитающих, но в настоящее время циркадная периодичность экспрессии признана фундаментальным свойством всех генов. Наш организм переполнен часами – внутри нас тикают триллионы молекулярных часов.
Все эти часы потенциально способны функционировать в автономном режиме, подчиняясь собственному ритму. Период молекулярного цикла автономной изолированной клетки примерно равен суткам. Более того, в некоторых случаях колебания молекулярных циклов разных клеток точно совпадают по всем фазам. Изучив тысячи генов клеток сердца и печени мышей, ученые обнаружили, что экспрессии генов свойственна циркадная цикличность с некоторыми индивидуальными различиями в продолжительности циклов. Представьте себе оркестр: струнная группа – скрипки, виолы, виолончели и контрабасы – развивает сложную многоуровневую тему, медные и деревянные духовые играют контрапункт, а с задних рядов доносится грохот ударных, среди которых отчетливо выделяются эпизодические партии гонга. В отсутствие дирижера слаженная игра музыкантов превратится в бессмысленный шум. У многих видов позвоночных, включая человека, циркадными циклами дирижирует супрахиазматическое ядро, которое генерирует первичный ритм и передает сигналы настройки молекулярным часам на периферии при помощи гормонов и нейромедиаторов, добиваясь строгого согласования ритмов. Какие бы задачи ни возлагались на биологические часы, они должны обмениваться показаниями с близлежащими аналогами или хотя бы воспринимать сигналы других часов. В наших внутренних часах, вовлеченных в бесконечный разговор с себе подобными, постоянно звучит если не концерт, то история, рассказанная интерактивным способом. Человеческий организм не просто несет в себе множество часов – сумма внутренних органов и систем сама по себе является часами.
Однако и эти часы, охватившие весь организм, несовершенны, во всяком случае сами по себе. Синхронизация биологических часов с 24-часовым циклом чередования дня и ночи предполагает периодическое обнуление счета и последующий ввод данных извне – в идеале это должно происходить каждые сутки.
Главной подсказкой для внутренних часов служит солнечный свет. У человека, как и у большинства млекопитающих, энергия света поступает в мозг через глаза. Назначив дирижером нашего внутреннего оркестра супрахиазматическое ядро, мы используем глаза в качестве метрономов, трансформирующих физические сигналы времени в форматы, воспринимаемые нашей физиологией. Связь зрительного аппарата с супрахиазматическим ядром осуществляется посредством ретино-гипоталамического тракта, который представляет собой нервный проводящий путь, берущий начало на глазном дне. Импульсы, генерируемые при раздражении рецепторов светочувствительных клеток глазного дна дневным светом, поступают к дирижеру по двум отдельным каналам, побуждая разыграть симфонию сначала.
Данный процесс, именуемый захватом ритма, выполняет важнейшую задачу синхронизации ритмов множества внутренних часов, обеспечивающую функционирование организма как единого целого. При этом само супрахиазматическое ядро не поддается произвольной перезагрузке путем изменений режима освещения. За долгие годы исследовательской работы ученым удалось узнать, какие диапазоны видимого излучения наиболее благоприятны, в какие часы и как долго должно длиться воздействие для получения желаемого результата. В лабораториях по изучению сна, оборудованных специальными осветительными приборами, людям помогают переключиться на иные суточные ритмы, которые могут длиться двадцать шесть или двадцать восемь часов, либо пробуждаться в полночь и засыпать в полдень. Однако, будучи предоставленными самим себе, мы подстраиваемся под суточный ритм, задаваемый безостановочным вращением Земли. Часы на моем сотовом телефоне сверяются с мировым временем, посылая радиосигналы кружащему вокруг планеты спутнику, на котором установлены сверхточные часы. Для синхронизации мозга с ритмами Вселенной мне достаточно только широко раскрыть глаза навстречу новому дню.
* * *
Однажды некая клетка забрела в пещеру и провела там множество дней и ночей. Когда-то этой клеткой был я, когда-то ею были вы, а девять месяцев назад это был кто-то из моих сыновей-двойняшек – Лео или Джошуа.
Рождаемся ли мы во времени или время зарождается в нас? Разумеется, ответ на вопрос зависит от того, что понимать под временем, хотя на самом деле не менее важно разобраться, что значит «мы» и что подразумевается под рождением. Предположим, что жизнь началась с одной-единственной клетки – полупроницаемой живой фабрики биохимических реакций и взаимодействий, генерирующей энергетические каскады, ионный обмен, цепи обратной связи и регулярные циклы экспрессии генов. Итоговые результаты ее бурной деятельности находят выражение в низкоамплитудных колебаниях электрического потенциала клеточной мембраны, фиксируемых за определенный промежуток времени. Одна клетка превращается в две, в результате многократного деления получаются тысячи новых клеток, из которых впоследствии формируется легко опознаваемый эмбрион. Супрахиазматическое ядро закладывается примерно между сороковыми и шестидесятыми сутками после оплодотворения, причем клетки возникают в одной части формирующегося мозга, а затем на шестнадцатой неделе, в середине беременности, мигрируют в область гипоталамуса. Эмбриональное развитие бабуина и человека имеет некоторое сходство. У первых автономная циркадная осцилляция клеток супрахиазматического ядра обнаруживается уже под конец беременности: в метаболической активности нейронов наблюдаются циклические спады и подъемы, а продолжительность цикла колебаний приблизительно равна двадцати четырем часам. Откуда мог появиться ритм, близкий к суточному, при полном отсутствии света? И тем не менее в метаболизме клеток четко прослеживается циркадная периодичность.
Человеческий плод обнаруживает первые признаки упорядоченного циркадного ритма раньше, чем плод бабуина, – на двадцатой неделе беременности, примерно месяц спустя после того, как клетки супрахиазматического ядра заняли причитающееся им место. Частота дыхания и сердечных сокращений наряду с интенсивностью выработки некоторых стероидных гормонов нервной системы создает циклические колебания с периодом в двадцать четыре часа. Тем не менее плод при этом не остается наедине со своими внутренними часами по примеру одного французского спелеолога, пережившего опыт автономного существования. Циркадные ритмы плода согласованы с естественным режимом чередования дня и ночи, несмотря на то что он находится в полной темноте, а ретино-гипоталамическому тракту, проводящему сигналы фоторецепторов к супрахиазматическому ядру, еще только предстоит сформироваться. Каким же образом плод узнает, что наступил день?
Разгадка тайны проста: от матери. Среди множества питательных и биологически активных компонентов, текущих сквозь плаценту, присутствуют два нейроактивных вещества – нейромедиатор дофамин и гормон мелатонин, которым принадлежит ведущая роль в синхронизации хронометра плода с объективным временем суток. У клеток супрахиазматического ядра рецепторы к обоим нейроактивным веществам появляются уже на ранних этапах формирования данной структуры в ходе эмбрионального развития. Когда мне случается лежать без сна, всматриваясь в ночную тьму, мне приятно думать, что внутриутробная жизнь зародыша выглядела примерно так же, только намного лучше. Безмятежную тишину не нарушит тиканье часов, и беспокойные вспышки мыслей, вдохновленных ходом времени, не потревожат космическое спокойствие плода, неторопливо плывущего в пространстве вне времени под покровом собственной невинности. Разумеется, это всего лишь мои фантазии. В действительности эмбрион постоянно омывается океаном точного времени, по капле перетекающего в новую жизнь. Плод живет и процветает за счет времени, заимствованного у матери.
Так для чего же может понадобиться плоду запаздывающее знание времени суток? Ученые предполагают, что таким образом новорожденный, вероятно, получит какие-то преимущества в плане выживания в первые дни после рождения. Млекопитающие, живущие в норах, к примеру кроты, мыши и суслики, зачастую вовсе не выходят на свет на протяжении нескольких дней, а то и недель после рождения. Если бы новорожденным детенышам требовалось дополнительное время на адаптацию к суточному ритму после того, как они наконец-то выползут на поверхность земли, зверьки оказались бы легкой добычей для хищников. Возможно, опыт внутриутробного переживания циркадных ритмов каким-то образом запускает внутренний механизм отсчета времени не только у подземных животных, но и у людей, готовя новорожденных к жизни в ярко освещенном мире.
Кроме того, биологические часы имеют принципиальное значение для упорядочивания деятельности внутренней среды организма. Животное уже в период эмбрионального развития представляет собой систему миниатюрных часовых механизмов, отсчитывающих циркадный такт, – миллиарды миллиардов биологических часов, обосновавшихся в клетках, генах и зачатках внутренних органов, трудятся почти двадцать четыре часа в сутки. Каждый механизм выполняет предписанные ему задачи, и без центрального тактового генератора, который вначале обретается в материнской утробе, а затем перемещается в супрахиазматическое ядро, все эти разнообразные механизмы не получат должного развития и не смогут работать в согласии друг с другом. Если желудок потребует пищи в первом часу, а пищеварительные ферменты подоспеют только час спустя, пища не усвоится. Внутренние часы матери упорядочивают функции основных физиологических механизмов, поддерживающих жизнедеятельность плода, или, как выразился автор одной журнальной статьи, «устанавливают внутренний временной порядок», пока биологические часы самой особи еще не сформировались. Кроме того, единый ритм существования способствует интеграции физиологии эмбриона в процессы жизнедеятельности материнского организма, подчиняя питание, пищеварение и обменные реакции двух разных индивидуумов общему графику. В конце концов, до самого рождения плод остается частью матери в буквальном смысле слова и представляет собой всего лишь еще одни периферийные часы, которые необходимо контролировать и время от времени заводить.
ЭМБРИОН ПОСТОЯННО ОМЫВАЕТСЯ ОКЕАНОМ ТОЧНОГО ВРЕМЕНИ, ПО КАПЛЕ ПЕРЕТЕКАЮЩЕГО В НОВУЮ ЖИЗНЬ. ПЛОД ЖИВЕТ И ПРОЦВЕТАЕТ ЗА СЧЕТ ВРЕМЕНИ, ЗАИМСТВОВАННОГО У МАТЕРИ
Циркадные ритмы материнского организма также могут служить будильником для плода. В ходе исследований было выяснено, что в родовой деятельности у многих видов млекопитающих также присутствует циркадный компонент. К примеру, роды у самок крыс обычно происходят в течение дня, что для данного вида равнозначно ночному времени, а в лаборатории начало потуг можно сместить, сокращая или продлевая продолжительность пребывания матери на солнце. В США большая часть домашних родов также случается в ночное время, между первым часом ночи и пятью часами утра. (В больницах, напротив, родоразрешение в будние дни чаще происходит между восемью и девятью часами утра. Вероятно, в статистическую выборку включены случаи стимуляции родовой деятельности и кесарево сечение – плановые мероприятия, осуществляемые строго по графику для удобства организации труда медперсонала.) В некоторых научных трудах по зоологии высказывается предположение, что и сам плод тоже активно участвует в составлении распорядка родовой деятельности. В последний день беременности эталонные часы в мозге ребенка, уже синхронизированные с ритмами светового дня, запускают каскад нейрохимических сигналов, достигающих кульминации в момент рождения. Юные часы, некогда запертые в темноте на периферии, обретают независимость и оповещают мир о своем суверенитете.
Лео и Джошуа появились на свет на шесть с половиной недель раньше срока с интервалом в четыре минуты рано утром четвертого июля, в День независимости. Новорожденные – странные создания, пронзительно вопящие и покрытые первородной смазкой, они, по-видимому, пребывают в глубоком шоке, приходя в наш мир. Оглядываясь назад, я честно признаюсь, что когда впервые увидел сыновей в родильном зале, то наши мальчики показались мне полубезумными марионетками, разбалансированными во всех суставах, – такое вот маленькое чудо. Несколько месяцев до рождения они были со временем на короткой ноге, принимая ванну, наполненную нейроактивными веществами, поступающими через плаценту, а теперь передо мною были два новых человека, которые безуспешно пытались нащупать часы на прикроватном столике и почти утратили надежду найти их. В их глазах застыл немой вопрос: который час?
Тем временем новообретенные эталонные часы наших двойняшек, повелевающие синхроимпульсами организма, должно быть, бросали на них гневные взгляды, читавшиеся в лучах ослепляющего света. (Скорее всего, это был электрический свет больничных ламп, которые наверняка были включены в два часа ночи, но несколько часов спустя новорожденные в любом случае увидели солнце.) Мишель Сифр, впервые выбравшийся на свет дня после заключения в пещере своего внутреннего времени, находился в более выигрышном положении благодаря зрелости внутреннего генератора циркадных ритмов. Восстановление более или менее нормального цикла чередования сна и бодрости заняло всего несколько дней, так что ученый вскоре вернулся к жизни в едином ритме с родными, близкими и миром в целом. Новорожденным приходится намного труднее: внутренние часы младенца, недавно появившегося на свет, еще далеки от совершенства. В момент рождения биоритмы ребенка синхронизированы с циркадным ритмом матери, а затем младенец на несколько недель погружается во временной хаос среди бела дня и утаскивает за собой всю семью.
Это объясняет многое из того, что происходило в нашем доме в течение первых недель жизни двойняшек, насколько я помню. Короткий беспорядочный сон совершенно расстроил мою рабочую память. Могу припомнить, как я в полночные часы кормил мальчиков из рожка, в который раз пересматривая «Французского связного», но сюжет фильма практически не оставил следов в моем сознании: вспоминаются какой-то бородач, погоня на автомобиле за вагоном метро и Джин Хэкман в шляпе с круглой плоской тульей с загнутыми краями. Как и Сифр, я едва ли вспомню, чем занимался в прошлый день, давно ли этот прошлый день закончился и закончился ли он вообще. Все это время слилось в непрерывную череду бодрствования и бессонницы. Когда к нам со Сьюзен спустя несколько месяцев наконец-то вернулась способность к рефлексии, мы ловили себя на том, что одновременно произносили две взаимоисключающие фразы: «время застыло» и «время пролетело», причем оба замечания казались нам справедливыми.
В течение первых трех месяцев жизни младенец затрачивает на сон от шестнадцати до семнадцати часов в сутки, но спит он вовсе не беспробудно. Периоды затишья практически равномерно распределяются в течение двадцати четырех часов: причем новорожденный ребенок спит днем больше, чем ночью. К двенадцатой неделе жизни суточный расклад меняется в пользу ночного сна. Хаотичный режим сна – следствие несовершенства внутренних коммуникаций. Хотя при рождении ребенка внутренние часы в гипоталамусе уже идут полным ходом, у него еще не сформированы связи между нервными и биохимическими путями, проводящими циркадные ритмы от супрахиазматического ядра к другим функциональным зонам мозга и внутренним органам.
«Часы тикают, – сообщил мне Скотт Ривкис, специалист по детской эндокринологии в Йельском университете. – Но иногда случаются нестыковки между часами и другими системами организма». Представьте себе, что спутниковая сеть GPS не получила сигналов точного времени от Военно-морской обсерватории США или Национальный институт стандартов и технологии не вышел на связь по известному радиоканалу, не транслирующему ничего, кроме сигналов точного времени. Примерно в таком положении находится мозг младенца, который воспринимает время суток правильно, но терпит фиаско в попытках правильно распространить сигналы.
Не так давно проблема нестыковки представляла большой интерес для медицинской науки. В конце девяностых годов прошлого столетия Ривкис весьма посодействовал успеху научно-исследовательского проекта по идентификации ретино-гипоталамического тракта, нервного пути, подключающего зрительный анализатор к супрахиазматическому ядру у недоношенных младенцев и рожденных в положенный срок детей. Также Ривкис обнаружил, что ретино-гипоталамический тракт активен уже на поздних сроках беременности: даже у малышей, родившихся на несколько недель раньше срока, рецепторы клеток реагируют на свет. Как признался мне Ривкис, открытие, равно как и следующие из него выводы, изрядно удивили его самого. Недоношенных детей помещают в отделение интенсивной терапии новорожденных до тех пор, пока они не окрепнут в достаточной степени, чтобы отправиться домой. В конце девяностых годов в залах отделения интенсивной терапии новорожденных свет не включался на протяжении всех суток. Согласно логике того времени, если внутри матки темно, то и в залах с боксами для недоношенных следует создавать аналогичные условия. Ривкис подвергал сомнению такой ход рассуждений. С появлением на свет недоношенного ребенка прекращается передача сигналов циркадных ритмов от матери, которые представляют собой информацию первостепенной важности, способствующую синхронному развитию формирующихся внутренних органов и физиологических систем. Но у недоношенного младенца уже сформирован ретино-гипоталамический тракт, так что он вполне способен самостоятельно генерировать циркадные ритмы, основываясь на импульсах, поступающих из окружающей среды. У Ривкиса зародилось подозрение, что в больницах младенцев лишают жизненно важных сигналов времени, руководствуясь самыми благими намерениями.
ЧЕМ РАНЬШЕ РЕБЕНОК УВИДИТ СВЕТ, ТЕМ РАНЬШЕ У НЕГО ВЫРАБОТАЕТСЯ ЧУВСТВО ВРЕМЕНИ, ЧТО ВАЖНО НЕ ТОЛЬКО ДЛЯ ЗДОРОВЬЯ В ЦЕЛОМ, НО И ДЛЯ ВЫРАБОТКИ НЕЙРОАКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ
Сомнения разрешил эксперимент, проведенный Ривкисом при поддержке коллег. За две недели до выписки контрольную группу младенцев поместили в типовые боксы отделения интенсивной терапии новорожденных, постоянно поддерживая приглушенное освещение в залах. Младенцы из опытной группы содержались в условиях циклического чередования освещенности: с семи часов утра до семи часов вечера в палате включался свет, в остальное время было темно. Детей из обеих групп выписывали домой с прикрепленными к лодыжкам кардиомониторами, постоянно отслеживающими едва уловимые изменения частоты сердечных сокращений и дыхательных движений. В результате анализа полученных данных было выяснено, что на первой неделе жизни дома младенцы из контрольной и опытной групп придерживались примерно одного и того же режима сна. При этом дети, которые до выписки содержались в условиях чередования уровня освещенности, в дневное время совершали на 20–30 процентов больше активных движений, чем ночью, вынуждая матерей уделять себе больше внимания. В контрольной группе значимые колебания суточной активности не проявлялись на протяжении последующих 6–8 недель. Чем раньше ребенок увидит свет, тем раньше у него выработается чувство времени, что важно не только для здоровья в целом, но и для выработки нейроактивных веществ, необходимых для формирования привязанности к членам семьи.
Благодаря исследованиям группы Ривкиса в блоках интенсивной терапии новорожденных сейчас повсеместно используется циклическое освещение. Тем не менее миф о безвременье внутриутробного существования, по признанию ученого, пустил глубокие корни в массовом родительском сознании. Патронажные сестры, навещающие молодых родителей, обычно застают новорожденных спящими в затемненных комнатах или при приглушенном свете. «Вы, наверное, думаете, что дома детей ожидают яркие хорошо проветренные комнаты, но в большинстве случаев все наоборот», – рассуждает Ривкис. (Обычно педиатры рекомендуют затемнять окна в детской светонепроницаемыми шторами только в вечернее и ночное время, от заката до рассвета, но не во время послеобеденного сна.) Импринтинг циркадных ритмов матери продолжается даже после рождения ребенка. Недавно было проведено несколько экспериментов, в ходе которых в материнском молоке был обнаружен триптофан – предшественник мелатонина, того самого нейроактивного вещества, которое вызывает сон. (В организме взрослого человека мелатонин продуцирует шишковидная железа головного мозга.) Естественная выработка мелатонина привязана к циркадным ритмам биологических часов матери: в определенные часы молочная железа производит большее количество молока, чем в иное время суток. Регулярное кормление грудью по установленному графику способствует адаптации режима сна ребенка к суточному распорядку матери и циклам чередования дня и ночи в природе. Проведенные исследования дают основания предполагать, что дети, находившиеся на грудном вскармливании, приспосабливаются к здоровому режиму сна быстрее, чем искусственно вскармливаемые дети. В представлении новорожденного ребенка день надлежит употребить и переварить как пищу.
Я снова просыпаюсь в темноте от крика: это проголодался Лео. Который час? Я нашариваю на прикроватной тумбочке часы и подношу к глазам циферблат: 4:20. Сегодня двадцать первое июня, первый летний день, начиная с которого распределение дневного и ночного времени суток смещается в сторону светового дня. Очевидно, я буду вынужден бодрствовать каждую минуту этого долгого светового дня.
Заручившись поддержкой порядка двадцати тысяч клеточных часов и специализированных нейронов, локализованных на сетчатке глаз, Лео и Джошуа уже переварили солнечный свет, излившийся на них на протяжении первых трехсот шестидесяти пяти дней жизни. В течение нескольких недель двойняшки спокойно спали ночи напролет, но пробуждаются они ужасающе рано, даже раньше птиц, едва забрезжит рассвет. Мои друзья утверждают, что мне удастся поспать чуть дольше, если мы будем укладывать детей чуть позже, чем обычно. Однако мы с женой кое-что прочитали о смещении циркадных ритмов и поэтому всецело доверяем науке во всем, что касается нашего душевного здоровья.
Дневное освещение обнуляет показания биологических часов, но срабатывает далеко не каждый раз, иначе наши внутренние часы обнулялись бы в каждую секунду пребывания в освещенном месте. В действительности живые существа наиболее восприимчивы к свету, а точнее, к изменениям интенсивности освещения, в начале периода активности, эквивалентного дню. Биологические часы у ночных животных, к примеру у летучих мышей, более чутко реагируют на изменения интенсивности освещения вечером, а не утром, тогда как дневные животные, к которым можно отнести и детей, вступивших в фазу более или менее стабильной дневной активности, более восприимчивы к воздействию света на рассвете, чем с приближением сумерек. Таким образом, стоит ожидать, что наши дети будут просыпаться примерно в одно и то же время независимо от того, когда мы уложим их спать – в шесть или в восемь часов вечера.
Как только я снова мысленно обсудил эти вопросы со Сьюзен (сейчас она уже на ногах, как и я), птицы за окном разразились трелью: вначале защебетала одинокая малиновка, а затем песню подхватил целый хор. На часах было 4:23, мимо нетвердой походкой прошествовала Сьюзен, собираясь покормить Лео, который спустя двадцать минут снова забылся сном, позволив матери вернуться в постель, но не прошло и минуты, как с пронзительным криком проснулся Джошуа. Сквозь жалюзи струился бледный утренний свет, в птичьих песнопениях царила полнейшая какофония, которая, по нашему мнению, разбудила Джошуа. Характеризуя событие, обнуляющее показания биологических часов, ученые, изучающие циркадные ритмы, прибегают к понятию «задатчик времени» по аналогии с немецкоязычным термином zeitgeber: слово Zeit означает «время», а словом Geber именуют дающего. Солнечный свет – самый сильный и наиболее распространенный среди всех известных науке задатчиков времени. Не получая исходных сигналов солнечного света достаточно долго, человек находит другие ориентиры, по которым можно было бы осуществлять поверку внутренних часов, не отдавая себе в этом отчета. На роль ориентира сгодится будильник, звон колокола или регулярный контакт с кем-то другим, пусть даже самый элементарный. Итак, в нашем случае дневной свет служит задатчиком времени для малиновки, малиновка – для ребенка, а проснувшийся ребенок – для взрослого.
«Замолкни, птичка», – шепчет Сьюзен.
Становится ясно, что опыт родительства постепенно превращается для нас в бесконечную череду уступок. На первых порах мы внушали себе, что мы не просто молодые родители, а менеджеры новоиспеченной компании. Сюжет выдуманной нами истории предполагал, что наша жизнь нисколько не изменится с появлением двух очаровательных, пусть даже не вполне старательных сотрудников. Наша задача состояла в том, чтобы приучить их подчиняться графику нашего семейного предприятия: принимать пищу в определенные часы, спать с такого-то времени по такое-то и, таким образом, идеально подстроиться под наш прежний образ жизни и наши представления о себе. Однако с каждым днем нам все чаще казалось, что фирма полностью перешла под контроль работников, не оправдавших оказанного доверия.
Одно время я неистово дожидался полуденного сна сына, намереваясь на три-четыре часа войти в режим функционирования прежнего «я», когда я еще был в состоянии писать и спать, воображая, что и в своей теперешней ипостаси смогу заниматься тем же. Но это итоже оказалось вымыслом. Я укладывал мальчиков в кроватки и тихо ускользал из детской, они на какое-то время затихали, но вскоре кто-то из них начинал агукать, призывая меня вернуться обратно. Если я медлил с возвращением, сын поднимал крик, подпрыгивая в постели, а его брат тем временем продолжал мирно спать в своей кроватке, стоящей в нескольких шагах. Поведение ребенка меня чрезвычайно раздражало, я усматривал в нем вызов отцовскому диктату и покушение на свою независимость. Мне хотелось объяснить сыну, что это мое время.
Я старательно любезничал с малышом, всячески умасливал его, потом пытался его журить, но мои попытки выглядеть убедительно лишь раззадоривали сына, что поднимало во мне бурю негодования. Когда мне не удавалось напугать мальчика угрюмым выражением лица, казалось, будто сыну доставляет удовольствие поддразнивать меня своими выходками. Позже я с содроганием осознал, что приобрел авторитет в глазах ребенка, и теперь малыш пытается противостоять ему по мере своих сил, а под конец до меня дошло, что он вовсе не сопротивляется никакому авторитету, он просто хочет, чтобы значимый взрослый с ним поиграл. В итоге я капитулировал, распрощавшись с попытками создать иллюзию рабочего дня, и с тех пор мы превосходно проводили вдвоем время, отведенное для полуденного сна, ниспровергая авторитеты вместе. Однажды в послеобеденное время мой сын указал на часы, висевшие на стене в детской; по-видимому, тиканье мешало ему спать, и он захотел присмотреться к источнику шума поближе. Я снял часы со стены, поднес их к лицу ребенка и продемонстрировал ему пластиковый чехол на задней поверхности, за которым скрывалась аккумуляторная батарея и сам часовой механизм. Потом несколько раз перевернул их, и некоторое время мы вместе зачарованно наблюдали за движениями секундной стрелки.
* * *
Я работаю в старом доме, расположенном у подножья холма на берегу Гудзона. Здание бывшей пивоварни дало приют хаотичному сочетанию предприятий местного значения: подрядной строительной компании, мастерской по ремонту пианино и детской школе танцев вперемешку со студиями художников и музыкантов. Стены тонкие, полы покрыты линолеумом, и вся конструкция находится в плачевном состоянии. Вечером я убираю компьютер в пластиковый чехол, опасаясь капель и мелких частиц песка, падающих с крыши. Как-то утром я заметил, как пилюльная оса принялась вить гнездо на моем потолке, а в другой раз услышал сквозь стену, как в соседней комнате работодатель отчитывает свою сотрудницу, которая, как впоследствии оказалось, приходилась ему матерью: «Если горят сроки и нужно больше времени, первое, что нужно сделать, – выяснить, сколько времени потребуется, чтобы закончить работу!»
ЕСЛИ К ИСТОРИИ СУЩЕСТВОВАНИЯ ЖИЗНИ НА ЗЕМЛЕ ПРИМЕНИМО ПОНЯТИЕ ПЕРВОИСТОКОВ, ТО ЖИЗНЬ, ПО ВСЕЙ ВИДИМОСТИ, НАЧИНАЕТСЯ С ЦИАНОБАКТЕРИЙ И, ВЕРОЯТНО, НА НИХ ЖЕ И ЗАКОНЧИТСЯ
Напротив здания, рядом с автостоянкой, обнаруживается рукотворный пруд с лавочкой, на которую я иногда усаживаюсь, когда хочу над чем-нибудь поразмыслить. Пруд небольшой – всего несколько метров в длину, а по краям выступает бетонная окантовка. Впуск воды, а точнее, стоков пригорода, осуществляется через ливнеспуск на отдаленном конце водоема, густо поросшем сорными травами, а выпуск – через дренажную трубу на ближнем конце пруда. Ранней весной вода еще достаточно прозрачная, так что можно рассмотреть золотых рыбок, суетящихся у самого дна, на глубине около 1,2 метра. В середине мая поверхность пруда покрывается зеленой пленкой, а к концу июня весь водоем забит тиной, так что рассмотреть ничего не удается – остается лишь догадываться, что скрывается за толстым слоем ила.
Тину и водоросли часто называют плесенью на теле земли, но едва ли они заслуживают столь дурной славы. То, что мы привыкли называть тиной, как правило, оказывается колонией цианобактерий, или сине-зеленых водорослей, составляющих одну из самых многочисленных групп прокариотов – безъядерных одноклеточных организмов, которые обитают в толще воды и процветают в условиях активной инсоляции. Цианобактерии не похожи ни на обычные бактерии (микробы, живущие у вас дома, едва ли способны к фотосинтезу), ни на одноклеточные водоросли, которые представляют собой эукариотические клетки с оформленным ядром, но это не помешало им заполонить собой весь мир. На долю цианобактерий, находящихся в первых звеньях трофических цепей, приходится внушительная доля всей совокупной биомассы планеты. Помимо прочего, цианобактерии считаются одной из древнейших форм жизни на Земле, возраст которой приблизительно оценивается в 4,5 миллиарда лет. Они появились на планете по меньшей мере 2,8 миллиарда лет назад; наиболее вероятное время возникновения – примерно за 3,8 миллиарда лет до насыщения атмосферы Земли кислородом, которое, к слову, приписывается именно цианобактериям: у этих одноклеточных кислород выступает побочным продуктом фотосинтеза. Как бы там ни было, в один момент сухой концентрат пространства-времени был освоен и преображен живыми существами. Если к истории существования жизни на Земле применимо понятие первоистоков, то жизнь, по всей видимости, начинается с цианобактерий и, вероятно, на них же и закончится.
Биологические часы оказались очень полезны для адаптации живых существ к условиям окружающей среды. Начнем с того, что они выступают главной опорой жизнедеятельности в целом. Теоретически без них можно обойтись: хронометрирование физиологических процессов может осуществляться автономно за счет внутренних ресурсов организма. Наш внутренний хронометр в состоянии обеспечить координацию физиологических процессов, протекающих во внутренней среде организма, напрямую поддерживая постоянную связь с тактовыми импульсами двадцатичетырехчасового суточного ритма, которые задает солнечный свет. Но в таком случае наш организм по ночам и в пасмурные дни неизбежно отправлялся бы в свободное плавание по рекам времени. (Представьте себе, что у ваших радиоконтролируемых часов приемник регулярно выходит из строя, из-за чего они теряют способность отсчитывать время.) До конца восьмидесятых годов XX века большинство биологов стояли на том, что у микроорганизмов, таких как цианобактерии, циркадные ритмы вовсе отсутствуют, по той простой причине, что жизнь среднестатистического микроба слишком коротка, чтобы вписаться в них. Деление типичной одноклеточной цианобактерии происходит каждые несколько часов. При солнечном свете размножение клеток активизируется, в темноте интенсивность клеточных делений снижается. В течение двадцати четырех часов один материнский одноклеточный организм дает начало шести и более поколениям дочерних клеток, которых насчитывается невероятное множество. Как метко выразился в разговоре со мной Карл Джонсон, микробиолог из Университета Вандербильта: «Какой смысл обзаводиться часами, если на следующий день вы будете уже другим человеком?»
Более двадцати лет Джонсон находится в авангарде исследований, которые дают понять, что у бактерий все-таки есть свой циркадный хронометр, причем поразительно точный. Более того, клеточные часы бактерий настолько не похожи на молекулярные часы животных, растений и грибов, что в отношении первых напрашивается вопрос о причинах эволюции внутреннего часового механизма и о том, как могли быть этимологически связаны между собой последующие модификации биологических часов.
Цианобактерии производят кислород в ходе фотосинтеза; многие виды также обладают способностью фиксировать атмосферный азот и превращать его в соединения, легко усваиваемые растениями. Единовременное осуществление фотосинтеза и азотфиксации – невероятно сложная задача, так как присутствие кислорода угнетает активность фермента, задействованного в каптаже азота. Тем не менее высокоорганизованные нитчатые цианобактерии могут параллельно осуществлять оба процесса, распределяя обязанности между специализированными клетками. У одноклеточных цианобактерий нет внутриклеточных отсеков, поэтому они вынуждены распределять функции по времени: фотосинтез осуществляется днем, а фиксация азота – ночью.
Существование суточного цикла чередования фотосинтеза и азотфиксации у цианобактерий навело ученых на мысль о некотором аналоге биологических часов у микроорганизмов. Джонсон с коллегами разобрались в устройстве часового механизма, основываясь главным образом на изучении цианобактерий вида Synechococcus elongatus, широко используемого в лабораторных экспериментах. Аналогичный принцип действия внутренних часов встречается у многих видов цианобактерий, а некоторые его аспекты присущи микроорганизмам других родов, но у более высокоорганизованных организмов нет ничего похожего. В ядре клетки у Synechococcus elongatus присутствуют три вида белков – KaiA, KaiB и KaiC, чьи названия происходят от японского иероглифа kaiten, которым обозначают циклическое круговращение небес. Ведущая роль принадлежит белку KaiC, молекула которого частично напоминает два пончика, сложенных один на другой. Эпизодически взаимодействуя с двумя другими белками, KaiC довольно ловко справляется с функциями шестеренки часов. При этом происходит частичное изменение конформации молекулы, в результате чего она приобретает способность захватывать и высвобождать фосфат-ионы. В конечном счете все три вида белков формируют временное молекулярное образование, которое называется периодосомой. Сьюзен Голден, микробиолог из Калифорнийского университета Сан-Диего, образно описывает взаимодействие между белками как «групповые объятия», на которые уходит около двадцати четырех часов.
«Это похоже на работу шестерен в часовом механизме», – объясняла мне Голден. Процесс настройки передач примечателен множеством любопытных аспектов, но больше всего поражает то, что он функционирует автономно. Биологические часы высокоорганизованных форм жизни приводит в действие циклический характер экспрессии ДНК: основные гены ядра, кодирующие качественные признаки, запускают процесс сборки белков. Поступая в ядро из цитоплазмы, последние отключают экспрессию первых. Клетки цианобактерий лишены ядер, их внутренние часы представляют собой неопосредованные взаимодействия между белками. Эти белки синтезируются специфическими генами, и при их выщеплении внутренние часы выходят из строя в силу нехватки нужных деталей. Продолжительность тактов белковых часов, однако, не привязана к скорости экспрессии генов и практически не связана с ДНК клетки. При изъятии ключевых белков из клетки и помещении в пробирку они даже в условиях полной изоляции продолжают взаимодействовать двадцать четыре часа в сутки изо дня в день, как ни в чем не бывало.
«В устройстве эндогенных часов растений, животных и грибов намного больше неопределенности, – отметила Голден. – В сущности, это суммарный эффект некоторых событий, в которых фигурирует множество различных сил. Внутренние часы цианобактерий необычны тем, что они вещественны: мы имеем дело с реальным устройством, которое можно поместить в пробирку, и оно будет продолжать работать».
Предполагается, что некоторые органеллы клеток, в особенности митохондрии, вырабатывающие энергию для метаболических реакций, а также, к примеру, хлоропласты, в которых осуществляется фотосинтез, происходят от автономных прокариотических микроорганизмов, поглощенных другими клетками, которые не были утилизированы в ходе метаболизма, а стали, по сути, внутренними симбионтами клетки-хозяина. Я поинтересовался, не могло ли что-то похожее произойти и с белковыми часами: существовал ли когда-нибудь подобный механизм в природе независимо, до интеграции с клетками цианобактерий, на положении позаимствованных часов или, возможно, он существует до сих пор, на что последовал отрицательный ответ. По словам Голден, ученым удалось вызвать репликацию белковых часов внутри живой клетки исключительно за счет высокоточных лабораторных техник. Тем не менее само их существование говорит о большой надежности и простоте устройства. Получив в распоряжение подходящий контейнер и всего лишь горсть деталей, естественный отбор довольно быстро изобретет точные часы, которые будут в готовом виде передаваться из поколения в поколение.
Действительно, при делении клеток цианобактерий белковые часы распадаются на две части и все равно продолжают тикать, не сбиваясь с такта. Из двух бактерий получаются четыре, потом восемь, затем шестнадцать бактерий и в конце концов – миллионы идентичных клеток, содержащих одинаковые модели часов, большей частью синхронизированных в едином ритме времени. Часы состоят из множества белков, упакованных в мешок клеточной мембраны, внутри которого происходят все взаимодействия между белковыми молекулами. Когда мешок делится пополам, белки также делятся поровну, но сам часовой механизм при этом остается незатронутым и продолжает воспроизводить прежний ритм даже в новой упаковке. Поскольку принцип действия белковых часов не связан с ДНК организма, срок их службы превышает продолжительность жизни отдельной клетки. Глядя на мутную пленку, заволокшую пруд возле моего офиса, невозможно догадаться, что перед вами простирается единый циферблат белковых часов миллиардов клеток цианобактерий.
Некоторые подобия внутренних часов обнаруживаются примерно у дюжины других видов цианобактерий. «Могут существовать и другие организмы с другими видами внутренних часов, – рассуждает Голден. – Неизвестно, сколько разновидностей внутренних часов может быть в мире». Столкнувшись с колоссальным разнообразием внутренних часов у животных, растений, грибов и бактерий, биологи задумались, насколько глубоко эти часы могут быть связаны между собой. На этот счет известны две точки зрения. Одна из них, которую можно условно назвать школой множественности внутренних часов, предполагает, что двадцатичетырехчасовой цикл колебаний интенсивности освещения сам по себе оказывает решающее влияние на ход естественного отбора, и поэтому наличие биологических часов можно рассматривать как эволюционное приспособление, принимающее разнообразные формы. «У разных организмов на кухне разный набор ингредиентов, из которых можно приготовить часы», – говорила мне Голден. Если часы идут ровно, значит, механизм работает.
ЦИКЛ ВНУТРЕННИХ ЧАСОВ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ СВЕТОВОГО ДНЯ КРЕПКО СПАЯНЫ МЕЖДУ СОБОЙ, ПРИЧЕМ ЭТО НАБЛЮДАЕТСЯ ПОВСЕМЕСТНО ВО ВСЕХ ЦАРСТВАХ ЖИВЫХ ОРГАНИЗМОВ
Школа единства внутренних часов придерживается иного подхода: ее представители переворачивают аргументацию оппонентов с ног на голову, указывая на то, что цикличность освещения стала движущей силой естественного отбора лишь в силу независимой эволюции эндогенных часов, которые на тот момент уже должны были достичь высокой ступени развития. Найти аргументацию в пользу такой точки зрения сложно из-за значительной дифференциации биологических часов у разных категорий живых существ. Различия в устройстве внутреннего часового механизма у людей и растений, у растений и грибов, грибов и цианобактерий и т. д. слишком велики, чтобы запросто примириться с ними. Тем не менее Карл Джонсон признает, что различия имеют право на существование. По его мнению, механизмы транскрипции генов и трансляции белков, лежащие в основе молекулярного диалога, составляющего сущность биологических часов многоклеточных организмов, в чем-то напоминают белковые часы цианобактерий, идущие в обратном направлении, от опосредованной коммуникации к прямой. «Я долгое время продвигал идею о том, что механизм транскрипции-трансляции не может быть стержневой моделью внутренних часов, – говорил ученый. – Возможно, пример цианобактерий подводит нас к новому пониманию эндогенного часового механизма».
Если долго всматриваться в мутные воды занесенного тиной пруда, в котором тикают миллиарды белковых часов цианобактерий, со дна начинают подниматься пузырьки вопросов: например, сколько эволюционных скачков потребовалось биологическим часам, чтобы достичь своего нынешнего состояния, – один или несколько? Что вообще побудило их к эволюции?
Пока никаких вариантов ответов наука дать не может: естественный отбор хорошо заметает следы. Также можно с большой долей уверенности сказать, что к появлению эндогенных часов в значительной мере причастен солнечный свет. Цикл внутренних часов и продолжительность светового дня удивительно крепко спаяны между собой, причем это наблюдается на систематической основе повсеместно во всех царствах живых организмов, так что едва ли речь идет о простом совпадении.
Представьте себя на месте микроорганизма и постарайтесь найти применение вашему внутреннему часовому механизму с двадцатичетырехчасовым циклом. Эндогенные часы, безусловно, подстрахуют вас в тех случаях, когда солнечный свет вам недоступен, но в то же время они служат сигнальным устройством наподобие будильника, точно оповещая вас о том, когда завтра произойдет рассвет, чтобы вы успели к нему подготовиться. Фотосинтезирующие микроорганизмы благодаря внутренним часам успевают привести в рабочее состояние свои аккумуляторы. Возможно, другие узлы фотосинтезирующего аппарата получают при этом дополнительный активирующий импульс. В результате микроорганизм приобретает преимущество в воспроизводстве и передает свои внутренние часы следующим поколениям микробных клеток. В экваториальных широтах, где продолжительность дня и ночи примерно одинакова, а закаты и рассветы происходят примерно в одно и то же время, биологические часы, возможно, и не дают ощутимых привилегий. Но по мере продвижения на север или на юг в направлении полюсов соотношение светлых и темных периодов в сутках изменяется изо дня в день в течение года, и в таких случаях внутренние часы помогают предугадывать эти колебания. Возможно, наличие биологических часов способствовало расширению ареалов древних форм жизни подобно тому, как введение понятия долготы в XVII веке и изобретение механических часов помогло Великобритании опередить соперников в исследовании морей и колонизации далеких земель.
Вместе с тем солнечный свет в качестве движущей силы отбора отрезает оба пути: по возможности его лучше избегать и утилизировать. Ультрафиолетовое излучение может вызвать тяжелые повреждения ДНК; геном наиболее уязвим во время деления клетки, когда ДНК распаковывается перед дупликацией. Около четырех миллиардов лет назад воздействие ультрафиолетового излучения было особенно пагубным, поскольку поверхность Земли еще не была защищена слоем озона (O3), который предохраняет все живое от самых вредоносных лучей в наше время. Цианобактерии, которым приписывается главная заслуга в насыщении атмосферы кислородом и создании озонового слоя, на что ушло не менее миллиарда лет, тогда оказались в самом невыигрышном положении. Не имея жгутиков, они были лишены способности к активным передвижениям и не могли укрыться от палящего солнца в сумерках толщи воды. Как же они размножались, не выставляя под жесткие ультрафиолетовые лучи самые деликатные органы?
Возможно, цианобактерий выручали биологические часы: сверяясь с ними, микроорганизм выбирал для деления клетки самое безопасное время суток. На основании данного предположения биологи выдвинули гипотезу избегания света, объясняющую, как цианобактериям удавалось размножаться в неблагоприятных условиях. Хотя со стороны может показаться, что клетки цианобактерии в присутствии света делятся безостановочно, так как для клеточных делений требуется солнечная энергия, но у них могут действовать временные ограничения размножения. В ходе полевых исследований трех микробиоценозов, два из которых составляли водоросли, а третий был представлен цианобактериями одного вида, было установлено, что фотосинтетическая активность во всех трех микробиоценозах продолжалась весь день, однако между тремя часами дня и шестью часами вечера прекращался синтез ДНК. Затем фотосинтез возобновлялся и не прерывался до самого заката. Таким образом, клеточные структуры, наиболее восприимчивые к ультрафиолету, в середине дня почивают в тени.
Не исключено, что у современных растительных и животных клеток сохранилась реликтовая память о пройденных путях эволюции в лице специализированных белков, которые называются криптохромами. Криптохромы восприимчивы к излучениям синего и ультрафиолетового спектра и входят в состав внутреннего часового механизма растений и животных, помогая организму синхронизироваться с естественным суточным циклом. Прослеживается выраженное сходство строения белковых молекул со структурой фермента ДНК-фотолиазы, который использует энергию синих лучей для репарации участков ДНК, поврежденных ультрафиолетовым излучением. Некоторые биологи полагают, что функции ДНК-фотолиазы могли изменяться в ходе эволюции. Возможно, бывшие инструменты ремонта клеточных структур, пострадавших от ультрафиолета, скооперировались между собой и образовали эндогенные часы, в которых они уже в качестве криптохромов выдвинулись на руководящие позиции и сейчас помогают организму уклоняться от повреждающего действия солнца. Так рядовой санитар превратился в эксперта по мирному урегулированию конфликтов.
Если приверженцы теории избегания света правы, тогда внутренние часы оказались первым в мире профилактическим средством, реализовавшим на практике идею безопасного секса. Организмы, способные прогнозировать наступление пиков солнечной активности и воздерживаться от воспроизводства в самые опасные часы, получали вознаграждение, продолжая себя в новых поколениях, тогда как особи, которые не умели рассчитывать время либо не располагали подходящим инструментарием, лишались возможности передать свои гены потомкам. Вопрос жизни и смерти всегда стоял убийственно прямо, по-мальтузиански. Глядя на пруд возле моего офиса, я не вижу перед собой разверзнутой пропасти беззакония, кишащей смертоубийствами и беспорядочным сексом, хотя в общем-то полагаю, что именно так он и выглядит в действительности. Тем не менее, какой бы отвратительной ни казалась тина, создаваемая цианобактериями, мы все равно перед ними в долгу – за прожитое время суток.
* * *
14 февраля 1972 года Мишель Сифр приступает ко второму эксперименту по депривации времени, который оказался главным в его научной биографии и самым продолжительным в истории человечества. В этот раз его единоличная подземная лаборатория, финансируемая НАСА, развернулась в пещере Миднайт-Кейв возле Дель-Рио в штате Техас. На деревянной платформе установлена большая нейлоновая палатка, внутри которой находятся кровать, стол, стул, разнообразные приборы для проведения научно-исследовательских работ, морозильные установки с продуктами и семьсот восемьдесят один баллон с водой емкостью один галлон каждый. Календарей и часов нет, как и в прошлый раз. Сифр улыбается в объективы новостных телекамер, целует новую невесту, обнимает мать и спускается в вертикальную шахту глубиной около тридцати метров, ведущую к месту уединения. Если все пойдет как задумано, он проведет более шести месяцев в абсолютной изоляции и не покинет пещеру раньше сентября. «Кромешная темнота и всеобъемлющее безмолвие», – описывал Сифр свои первые впечатления от подземелья.
Находясь в пещере, Сифр отсчитывает дни по циклам бодрствования: от пробуждения к пробуждению. Утренние часы полны забот: пробудившись ото сна, ученый созванивается с другими членами исследовательской группы, которые остались на поверхности земли, и они включают электрическое освещение, установленное в пещере. Далее Сифр измеряет кровяное давление, проезжает три мили на стационарном велотренажере и выбивает пять серий мишеней из пневматического ружья. Затем он прикрепляет электроды к грудной клетке и голове, регистрируя частоту сердечных сокращений и биотоков мозга, характеризующих природу сна, затем с помощью ректального датчика измеряет температуру тела. Во время бритья он сохраняет несколько волосков усов для исследований на предмет изменений гормонального фона. А еще он подметает пол. Скалы, окружающие его, рассыпаются в прах, оседающий повсюду, пыль смешивается с высохшим пометом колонии летучих мышей, ранее населявших пещеру. Когда поднимаются клубы пыли, он старается задерживать дыхание.
Сифра интересует, что происходит с организмом человека, изолированного от времени на длительный срок. В работах Юргена Ашоффа и других исследователей указано, что некоторые люди, проведя в условиях изоляции месяц и более, переходят к суточному ритму длительностью сорок восемь часов, затрачивая на сон и бодрствование почти вдвое больше времени по сравнению с людьми, живущими в обычном ритме. Дает ли такой распорядок дня какие-то преимущества членам экипажей космических кораблей или атомных субмарин? Вскоре бесконечная череда измерений, наложения и снятия электродов, введения датчиков и отбора волосков усов для анализов начинает тяготить Сифра. Еще не миновал первый месяц эксперимента, а его проигрыватель, главный источник свежих впечатлений, уже вышел из строя. «Теперь у меня есть только книги», – отмечает Сифр в дневниковых записях. На стенах пещеры расползается плесень, ею покрываются даже циферблаты исследовательского оборудования.
ПОСКОЛЬКУ КОЛЕБАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЕЛА ПОДЧИНЕНЫ ЦИРКАДНЫМ РИТМАМ, МАКСИМАЛЬНАЯ ВЕРОЯТНОСТЬ ПРОБУЖДЕНИЯ ОТ ДОЛГОГО СНА НАБЛЮДАЕТСЯ В ПРЕДРАССВЕТНЫЕ ЧАСЫ
Впоследствии результаты тестов и измерений покажут, что в течение первых пяти недель в подземелье циркадные ритмы чередования сна и бодрствования Сифра укладывались в двадцать шесть часов. Колебания температуры его тела следовали двадцатишестичасовому циклу, и сам он спал и бодрствовал по тому же графику, хотя и не отдавал себе в этом отчета, но при этом каждый день пробуждался на два часа позже, чем в прошлый раз, а потом спал треть от того времени, которое проводил в состоянии бодрствования. Как и в пещере Скарассон, он выбился из суточного графика и жил в соответствии с идеалом Руссо, исключительно по внутреннему распорядку, не завися ни от солнечного света, ни от общественных норм.
На тридцать седьмой день пребывания под землей (по подсчетам Сифра, это был тридцатый день) случилось непредвиденное: циклы колебаний температуры тела окончательно размежевались с циклом сна и бодрствования, который к тому времени уже был оторван от продолжительности светового дня, о чем сам Сифр даже не догадывался. Теперь он остается на ногах намного дольше, чем обычно, а потом отсыпается в течение пятнадцати часов, затрачивая на сон вдвое больше своей привычной нормы. Потом его график расшатывается еще сильнее: периодически он возвращается к двадцатишестичасовому циклу, иногда цикл продлевается до 40–50 часов. Тем временем колебания температуры тела по-прежнему придерживаются двадцатишестичасового цикла. При этом сам Сифр даже не подозревает о том, какие перемены происходят с его телом.
С тех пор ученые выяснили, что наш привычный распорядок сна лишь отчасти подчинен циркадным ритмам. На протяжении дня в организме накапливается нейроактивное вещество аденозин, вызывающее сонливость, процесс накопления аденозина известен под термином «гомеостатическое давление». Чувство сонливости можно превозмочь, если вздремнуть на короткое время: при этом часть аденозина утилизируется, отодвигая приступы дремы на более позднее время; также можно заглушить его, употребляя кофеин и стараясь оставаться на ногах как можно дальше. Но стоит вам заснуть, и ваше тело окажется в полной власти циркадных ритмов. В ранних фазах сна организм погружается в глубокую дрему, но в течение ночи вы постепенно войдете в фазу сновидений. Переход к фазе сновидений, или, выражаясь по-научному, к фазе быстрого сна, наиболее вероятен при снижении температуры тела до минимальных отметок. Для большинства людей фаза быстрого сна наступает за два часа до пробуждения. Поскольку колебания температуры тела подчинены циркадным ритмам, максимальная вероятность пробуждения от долгого сна наблюдается в предрассветные часы, причем обычно это происходит в одно и то же время, например в 4:27.
Иными словами, аденозин навевает сон, если вы ему это позволяете, а глубина сна определяется длительностью предшествующего периода бодрствования, в течение которого вы сопротивлялись гомеостатическому давлению, но, так или иначе, предрассветное повышение температуры, предопределенное циркадным ритмом, все равно вас разбудит. Первым фактором удается в некоторой степени манипулировать, но второй нам неподвластен. Продолжительность сна зависит от того, как долго вы проспали с того времени, когда температура вашего тела достигла точки надира. Чем меньше времени прошло с момента засыпания, тем меньше вы пробудете в объятиях Морфея, даже если перед этим бодрствовали больше обычного.
Но все это станет известно много позже, когда ученые проведут несколько экспериментов по временной изоляции в условиях чисто прибранных лабораторий, привлекая добровольцев, которые даже близко не испытывали той сенсорной депривации, которая выпала на долю Сифра. «Моя жизнь вошла в фазу надира», – заметил однажды ученый. На семьдесят седьмой день эксперимента движения рук Сифра стали насколько неловки, что он не сумел нанизать бусины на нить, а ход мыслей утратил связность, ему начала изменять память. «Я ничего не помню о прошедшем дне; даже сегодняшнее утро не отложилось в моей памяти. Если бы я сразу не записывал все происходящее, я бы обо всем забыл», – признавался ученый. Однажды Сифра охватила паника, когда он, счистив плесень со страниц журнала, прочел статью, где говорилось о том, что возбудители бешенства могут распространяться по воздуху с частицами мочи и слюны летучих мышей. На семьдесят девятый день эксперимента Сифр схватился за телефон. «J’en marre!» – прокричал он в трубку. («С меня довольно!»)
Тем не менее коллеги решили, что Сифр еще не испил свою чашу до дна, ведь не прошло даже половины отпущенного срока. И вот он снова подвергает себя всевозможным измерениям, ведет наблюдение за физиологическими отправлениями своего организма, вводит внутрь себя датчики, присоединяет и отсоединяет электроды, бреется, подметает пол, крутит педали и стреляет до тех пор, пока у него совсем не остается сил. Он освобождается ото всех проводов и кабелей, опутывающих тело, и думает: «Я растрачиваю свою жизнь попусту, участвуя в этом бессмысленном эксперименте». Затем он задумывается о ценности данных, которых не получили его коллеги, пока он находился вне доступа, и снова подключает аппаратуру к своему телу. Одно время Сифр задумывался о самоубийстве, которое он планировал замаскировать под несчастный случай, но потом вспомнил о неоплаченных счетах за проведенный опыт, которые пришлось бы оплачивать его родителям.
На сто шестидесятый день эксперимента Сифр услышал, как где-то поблизости шуршит мышь. В течение первого месяца в Миднайт-Кейв мышиная возня по ночам порядком раздражала ученого. Тогда Сифр переловил всех грызунов и извел под корень всю колонию, но сейчас он был рад оказаться в обществе хотя бы одной мыши. Ученый нарек свою гостью Мас и сутками напролет наблюдал за ее повадками, замышляя, как бы изловить мышь. В конце концов на сто семидесятый день Сифр соорудил мышеловку из формы для запекания и намазал ее джемом, чтобы заманить мышь в ловушку, а затем долго смотрел, как его потенциальная подружка боязливо приближается к приманке. Еще один крошечный шажок, и Сифр опрокидывает кассероль над мышью, его сердце колотится от радостного возбуждения. «Впервые с тех пор, как я углубился в пещеру, я почувствовал прилив радости», – отметил ученый в своих записях. Но что-то пошло не так; подняв кассероль, Сифр обнаружил, что случайно раздавил мышь, и теперь он бессильно наблюдал, как она умирает. «Писк становился все слабее, и вот она затихла. Меня захлестнуло отчаяние».
Спустя девять дней, десятого августа, зазвонил телефон: эксперимент подошел к концу. Сифр проведет в пещере еще месяц, выполняя дополнительные тесты, но теперь он, по крайней мере, может наслаждаться обществом других людей. Пятого сентября, после двухсот с лишним дней в подземелье, Сифр выходит на поверхность земли, ошеломленный громом оваций и запахом свежей травы. За время заточения он собрал несколько ящиков магнитных лент с аудиозаписью, ожидающей анализа; протяженность пленки измеряется километрами. За это время у Сифра сильно ухудшилось зрение, появилось хроническое косоглазие, а еще за ним числится долг в размере полумиллиона долларов, который он будет выплачивать на протяжении последующих десяти лет.
* * *
Ручной фонарик, возможно, самая бесполезная вещь в Арктике, особенно в июле, но я захватил с собой целых два.
Даже сейчас не знаю, зачем я это сделал. Там, где я сейчас нахожусь, – за Северным полярным кругом, выше 66 градусов северной широты, на расстоянии двухсот километров к северу от города Фэрбенкс в штате Аляска, – солнце не заходит с середины мая по середину августа. Хотя уже два часа утра, небесное светило все еще висит в нижней точке траектории и медленно ползет вдоль горизонта, заливая бледным светом бесконечные километры холмистой заболоченной тундры. Все лето – один долгий полярный день. В ходе эволюции экосистема Крайнего Севера приноровилась использовать по максимуму весь диапазон возможностей, которые предоставляет постоянное освещение. Растения цветут, птицы выводят птенцов, в реках постоянно кто-то плещется, животный мир спаривается, мечет икру и выкармливает детенышей, готовясь снова удалиться в укрытия, как только на излете августа солнце впервые скроется за небосклоном и день пойдет на убыль, а ночи будут удлиняться с каждой неделей, предвосхищая затяжную зимнюю ночь. Я заранее знал, что увижу в тундре, но где-то на задворках сознания ворочалось смутное предчувствие непроглядной темноты, которую должен рассеять луч фонарика. Мало ли где может подстеречь тьма – в пещере, которую мне захочется осмотреть, в норе длиннохвостого суслика, в которую я, скорей всего, сунусь, а то и вовсе под раскладной койкой в темной-темной палатке.
Я приехал в Арктику, намереваясь присоединиться к группе биологов на опытной станции на озере Тоолик в аляскинском округе Норт-Слоуп. Станция, открытая в 1975 году, располагается у самой кромки воды. На территории станции развернут оживленный лагерь: передвижные лаборатории, оборудованные по последнему слову техники, перемешались с модульными ангарами из гофрированной стали, основательно уплотненными с поправкой на погодные условия, но все равно невозможно отделаться от чувства заброшенности – я забрался на самый край земли. За горизонтом с южной стороны зубчатой стеной возвышается хребет Брукс, а за двести километров на север лежит небольшой городок Дедхорс, укрывшийся в бухте Прудо-Бей на берегу Северного Ледовитого океана, где располагается северная ветвь Трансаляскинского трубопровода. Добраться до города – сущая морока: предстоит пять часов трястись по широкому гравийному покрытию Далтонской автомагистрали, где безраздельно властвуют громогласные тягачи с тракторными прицепами, с которых во все стороны разлетаются куски горных пород размером с кулак.
Между городом и хребтом Брукс простираются тысячи квадратных километров тундры и сотни мелких каплевидных озер, похожих на Тоолик. Пейзажи тундры поначалу кажутся тоскливыми и однообразными, однако за невзрачной картиной скрывается удивительное богатство и разнообразие местной экосистемы: пестрый ковер мхов, лишайников и печеночников сменяют заросли осоки и разнотравья, перемежающиеся карликовыми кустарниками. На глубине 30–60 сантиметров под землей залегает вечная мерзлота, но незамерзающий верхний слой почвы активно обжит полевками, зайцами, лисами, сусликами, шмелями, гнездящимися птицами и другими созданиями. Каждое лето на опытную станцию прибывает около сотни ученых и студентов-магистрантов, которые отбирают образцы тундрового грунта и биоматериала озер и ручьев, производят замеры и взвешивания, а затем тщательно документируют все полученные данные. Окружающие ландшафты не особенно страдают от человеческой активности и остаются практически неизменными. В любой другой местности для проведения стандартного экологического исследования потребовалось бы всего несколько лет, особенно когда финансирование проекта ограничено, а заинтересованность в результатах налицо. Работа на станции возле озера Тоолик требует большой преданности науке: на постижение закономерностей функционирования здешних экосистем уходят десятилетия.
В ХОДЕ ЭВОЛЮЦИИ ЭКОСИСТЕМА КРАЙНЕГО СЕВЕРА ПРИНОРОВИЛАСЬ ИСПОЛЬЗОВАТЬ ПО МАКСИМУМУ ВЕСЬ ДИАПАЗОН ВОЗМОЖНОСТЕЙ, КОТОРЫЕ ПРЕДОСТАВЛЯЕТ ПОСТОЯННОЕ ОСВЕЩЕНИЕ
Меня занимала проблема научной интерпретации понятия дня. Отправляя прошение с просьбой посетить станцию, я объяснил, что интересуюсь циркадными ритмами и хотел бы прояснить несколько вопросов, присоединившись к работающим на станции биологам. Влияет ли режим освещения на обмен веществ и жизненные циклы микроорганизмов и фитопланктона? Как проявляется это влияние в широком контексте пищевой сети, сказывается ли оно на темпах роста численности популяций, расширении видовых ареалов, доступности кислорода и питательных веществ и других формах обмена энергией между различными звеньями трофических цепочек? Я задавался целью выяснить, как циркадные ритмы проявляют себя в самой суровой из экосистем, существующей в экстремальных условиях полярного лета. Какой облик принимает биологическое время в кристально чистом выражении?
В действительности я был бы вполне удовлетворен поездкой, если бы мне просто удалось прочувствовать специфику хода времени на подступах к Северному полюсу. В 1937 году известный путешественник Ричард Бэрд провел четыре месяца в плену антарктической зимы, регистрируя показания метеорологических приборов с апреля по июль – совершенно один в крошечном зимовье против кромешной тьмы и свирепых морозов. «С самого начала было ясно, что за всеми высшими соображениями, за громадой слов о ценности наблюдений за погодой и полярными сияниями на неизведанных просторах Антарктики и моей личной заинтересованности в результатах исследований стояли мое любопытство и страсть к приключениям, – писал позже Бэрд в своих мемуарах под названием «Одиночество». – У меня не было никаких значимых целей, я о них вообще не задумывался. Мое решение не основывалось ни на чем, кроме желания испытать вкус одиночества, тишины и покоя в полной мере, будучи предоставленным самому себе достаточно долго для того, чтобы узнать истинную цену уединения».
Я попытался спрятать свои часы, следуя примеру экспериментаторов, о которых ранее читал: те углублялись в пещеры или затворялись в темных промерзлых избушках. Провести две недели лета под пристальным взглядом незаходящего солнца, под открытым небом необъятной Аляски – не менее дерзкая затея, предвещающая приключение, способное потешить мое прошлое «я», которое стремительно удалялось от меня. И не надо напоминать мне о двух детях, празднующих свой второй день рождения без отца: мой путь освещало вечное солнце, ожидавшее меня за полярным кругом.
Десять тысяч лет назад завершился последний ледниковый период в истории Земли; Норт-Слоуп стряхнул с себя остатки ледников, под которыми обнаружились лабиринты ручьев и небольших мелководных озер, связанных между собой внутренними протоками. Практически все ледниковые озера находились в непроходимой местности, но в 1973 году биологи все-таки до них добрались. Изучая потенциальное влияние строящегося трубопровода на местную экосистему, небольшая группа сотрудников Лаборатории биологии моря Вудс-Холского института океанографии в Массачусетсе обнаружила озеро Тоолик прямо у гравийной лесовозной дороги, в непосредственной близости от строительного городка. Ученые развернули в окрестностях палаточный лагерь и принялись за работу, периодически наведываясь в городок строителей постирать одежду или разжиться порцией мороженого из холодильной установки. Под конец они перебрались на другой берег озера и пустили там корни, положив начало опытной станции, которая в настоящее время занимает площадь величиной в несколько акров и располагает самой прогрессивной лабораторией по изучению арктических экосистем во всем мире.
Однажды утром я наведался на одну из экспериментальных площадок Джона О’Брайена, специалиста по биологии пресной воды из Университета Северной Каролины в Гринсборо. Площадка оказалась каскадом из трех небольших озер, расположенных на расстоянии нескольких километров к югу от Тоолика. Пройти пешком такое расстояние очень непросто; в тундре повсюду разбросаны рыхлые комки печеночников и упругие кочки пушицы. Путешествовать по здешним местам пешком так же утомительно, как и пробираться сквозь болото, причем вывихнуть ногу по дороге даже проще, чем в болотной трясине. При станции есть небольшой вертолет для выездных исследований, и О’Брайен договорился о том, чтобы нас приняли на борт в компании трех магистрантов, с надувной спасательной лодкой, веслами и рюкзаками, доверху набитыми инструментом для отбора проб. Мы приземлились на небольшом возвышении над одним из озер, которое, по сути, представляет собой пруд шириной всего около 90 метров. Когда вертолет улетел и потревоженные травы наконец-то успокоились, нас окружил комариный рой. Стояла ясная безветренная погода, день выдался на удивление тихий.
О’Брайен – один из участников экспедиции, начавшей освоение Тоолика в 1973 году. С тех пор он возвращается сюда почти каждое лето, неделями не видя родных. Сейчас он изучает взаимодействие микроскопических пресноводных водорослей с единственным представителем пресноводного зоопланктона более крупных размеров, который употребляет водоросли в пищу. Мы привыкли рассматривать экосистемы исключительно с позиций живых организмов – веслоногих, лишайников, ногохвосток, медведок, кукшей и хариусов. Тем не менее все многообразие форм жизни, воплощенное в эфемерных телах, служит всего лишь временным пристанищем для безостановочных потоков питательных компонентов сквозь живую ткань. К берегам Тоолика ученых влекут самые разнообразные интересы – ботаника, лимнология, энтомология, но в основе всех дисциплин лежит одна и та же фундаментальная биохимия: углерод, азот, кислород, фосфор и другие элементы, циркулирующие между водой и сушей: с зеленого листка в воздух, из дождевых потоков в почву, а потом все повторяется сначала. Ученые скрупулезно подсчитывают содержание всех этих веществ, отслеживая динамику роста популяций, частоту дыхания и удельный вес биомассы во времени и пространстве необозримых арктических ландшафтов. Общими усилиями получается надежный прибор для наблюдения за функционированием экосистемы и происходящими в ней переменами.
После первого же дня на берегах Тоолика мне стало ясно, что ни один ученый не занимается конкретно хронобиологией – ни в Арктике, ни где-либо еще. Чем дальше, тем больше, но все исследователи, собравшиеся у озера, изучали отдельные аспекты одной и той же проблемы – потепления мирового климата, которое уже не вызывает сомнений. В силу относительной скудости биоценоза Арктика служит базовой моделью для изучения возможных реакций на глобальное потепление со стороны более сложных экосистем. Кроме того, арктический регион важен и сам по себе: в смерзшихся недрах тундры сосредоточено по крайней мере десять процентов мировых запасов углерода земной коры. Сколько углерода высвободится при повышении среднегодовых температур? Которую часть свободных углеродных запасов смогут усвоить растения, конвертирующие органику в энергию роста, а сколько углерода поднимется в атмосферу, чтобы еще больше подогреть нашу Землю? Озеро Тоолик долгое время оставалось на обочине прогресса, зато сейчас оно находится в самом центре событий.
«Раньше на вершинах заднего хребта лежал снег, который не сходил даже летом. Теплая погода скверно пахнет», – говорит О’Брайен, стоя у самой кромки воды. Опираясь на весло надувной лодки, как на древко копья, ученый обозревает склоны хребта Брукс на юге. В свои шестьдесят шесть лет О’Брайен по-прежнему крепок и любопытен, возраст выдают лишь копна седых волос и серебристая щетинистая борода. От него веет надежностью, как от крепкого якоря. Мне нравится, что он большой любитель рассказывать истории, всякий раз начинающий повествование с присказки «а вот раньше…». Раньше гроза на Норт-Слоуп казалась чем-то невозможным. Раньше было немыслимо появиться на полевых исследованиях в футболке, как сейчас. Раньше, когда не было лэптопов, GPS-навигаторов и беззаветно преданных своему делу механиков, приходилось самостоятельно обустраивать свой быт в лагере на берегах Тоолика.
«Раньше мы были настолько поглощены удовлетворением животных потребностей, что в нас брало верх животное начало», – рассуждает ученый. Свое первое лето на Аляске О’Брайен в сопровождении нескольких коллег провел за геодезической съемкой долины реки Ноатак, в течение трех месяцев скитаясь по образцово-показательному захолустью на необъятных задворках штата. Рабочий день длился четырнадцать часов; выходные не были предусмотрены. Солнце не спешило уходить на покой, и они следовали его примеру. Вскоре все друг другу до смерти надоели и даже перестали разговаривать между собой. Повар готовил по минимуму, но наотрез отказывался мыть посуду, так что всем приходилось есть прямо с клеенки, обходясь без тарелок и столовых приборов. Стараясь отвлечься от царившего вокруг беспредела, О’Брайен читал роман Кена Кизи «Порою блажь великая», повествующий о злоключениях семейства лесорубов. Коллизии сюжета и окружающие ландшафты всецело поглощали его внимание, и в конце концов он вообразил себя одним из персонажей романа, причем одно время даже не сомневался, что так было всегда и будет вовеки, а семейная жизнь, оставшаяся в прошлом, была всего лишь плодом воображения. «У нас тогда по-настоящему срывало крышу», – признавался О’Брайен.
В течение двух недель, проведенных в Тоолике, я обретался в модульном бараке производства фирмы WeatherPort, где полы заменял щитовой настил, а стены были обтянуты брезентом цвета охры. Спать приходилось на матрасе, разложенном поверх пружинной рамы, занавесившись сеткой от комаров. Как и других обитателей станции, меня увещевали принимать душ всего два раза в неделю и не более двух минут в целях экономии пресной воды. Впрочем, кое-какие удобства в бараке все-таки были: высокоскоростной беспроводной интернет, круглосуточная столовая, которая выходила окнами на кристально прозрачные воды озера и где подавали тиляпию под соусом из банана и гуайявы, а также обитая кедром сауна, куда было не пробиться после полуночи.
Не было только темноты. В первые дни я бодро выскакивал из спального мешка, спеша поприветствовать новый день, о наступлении которого твердил солнечный свет, заливающий стены барака, но когда я бросал взгляд на наручные часы, на них неизменно оказывалось примерно полчетвертого утра. Ночью (точнее, в то время суток, которое я считал ночью) я приноровился закрывать глаза наглазниками, как во время трансокеанского перелета. Когда, согласно показаниям часов, наступало настоящее утро, я выходил на воздух и упирался взглядом в одно и то же несуразное напоминание: «Не забудьте выключить свет!»
В ходе эволюции аборигенные виды полярных регионов приспособились к вечной путанице дня и ночи и без труда ориентируются во времени. Отправляясь на побережье добывать корм, антарктические пингвины тяготеют к проторенным маршрутам, демонстрируя завидную пунктуальность: они покидают колонии в начале суток, строго следуя двадцатичетырехчасовому распорядку независимо от температуры воздуха и интенсивности освещения. (Возвращаясь с охоты в конце дня, пингвины позволяют себе слегка отклоняться от графика.) Когда в Северной Финляндии наступает полярный день, при постоянном дневном освещении пчелы не сохраняют активности в течение суток. Примерно в полдень суточная активность пчел достигает пика, а к полуночи они прекращают работу – быть может, они спешат нагреть соты в более прохладное время суток. Возможно, отдых упрочняет память о дне, проведенном в заботах о пропитании. Так или иначе, в своих попытках приспособиться к постоянному освещению животные игнорируют световой график и неукоснительно подчиняются внутренним циркадным ритмам.
Северные олени в Арктике избрали прямо противоположную стратегию. В 2010 году сотрудник Манчестерского университета (Англия) Эндрю Лаудон совместно с коллегами обнаружил, что у северных оленей, в отличие от других животных, не наблюдается циркадных колебаний экспрессии двух ключевых генов, обеспечивающих работу внутренних часов. У большей части высокоорганизованных существ сон, бодрствование и секреция гормонов подчинены двадцатичетырехчасовому распорядку, а у северных оленей биологические часы достаточно фоточувствительны, но даже в постоянном потоке дневного света олени ориентируются на фактическую продолжительность суток и не теряют связи с астрономическим временем. Другие животные не генерируют внутренних циркадных импульсов, а непосредственно подчиняются ритму, который задает освещение: животные пробуждаются, когда небо начинает светлеть, и засыпают с наступлением сумерек. А северные олени функционируют автономно, как Сифр, запертый в своей пещере, или как наручные часы на моем запястье. «Эволюция изобрела способ отключить клеточные часы», – заметил Лаудон. Возможно, где-то внутри нас спрятаны часы, способные идти вспять, но пока мы их еще не обнаружили.
В СВОИХ ПОПЫТКАХ ПРИСПОСОБИТЬСЯ К ПОСТОЯННОМУ ОСВЕЩЕНИЮ ЖИВОТНЫЕ ИГНОРИРУЮТ СВЕТОВОЙ ГРАФИК И НЕУКОСНИТЕЛЬНО ПОДЧИНЯЮТСЯ ВНУТРЕННИМ ЦИРКАДНЫМ РИТМАМ
Сходным образом биологи, работающие на берегах Тоолика, выработали широкий диапазон адаптивных реакций на постоянный дневной свет. Сроки сбора данных ограничены, поэтому исследователи все время проводят на ногах, прочесывая окрестности, – наступление темноты не вынуждает их сбавлять темп. Ученые отбирают и препарируют нужные образцы, производят замеры, синтезируют новые вещества, сопоставляют данные – работа бьет ключом. Четвертого июля я ездил в Дедхорс посмотреть на Северный Ледовитый океан, а когда возвратился в лагерь примерно в полтретьего утра, то застал в столовой нескольких человек, смаковавших лобстера и стейк филе-миньон. Каждый обитатель станции держал наготове рассказ о ком-то из знакомых, страдавшем бессонницей. Один из ученых держал в выездной лаборатории тюфяк, чтобы вздремнуть, как только представится удобный случай. Однажды летом, выиграв несколько свободных часов ценой непрерывного бодрствования, он построил стол для игры в кикер и парусник. Другой ученый просто снимал и откладывал в сторону свои наручные часы и старательно избегал любых напоминаний о ходе времени на протяжении всей командировки. Принимать пищу и укладываться спать он предпочитал не по определенным часам, а только по собственному желанию, и при этом работал почти без перерывов. Перед возвращением домой по окончании полевого сезона он признался мне, что его «слегка штормит». Еще одна женщина поведала мне о том, как потеряла счет времени, отправившись на прогулку после обеда: вернувшись в лагерь, она с удивлением обнаружила, что кухонный персонал уже сервирует стол к завтраку.
Остальные беспрекословно повиновались часам. «Мне необходимо вовремя ложиться спать», – сообщил мне один из магистрантов О’Брайена. Надув лодку, мы с ним отбирали образцы воды на середине озера, пока О’Брайен орудовал сеткой на берегу, отлавливая зоопланктон. «Если я буду дожидаться усталости, – тем временем продолжал студент, – я буду оставаться на ногах всю ночь, возможно, еще перехвачу пару кусочков пирога в столовой». О’Брайен также строго следовал расписанию, и вся станция знала, что он старательно приучал к тому же своих студентов или, по крайней мере, пытался. Каждый день он ожидал их в столовой к завтраку, но студенты ловко обвели его вокруг пальца. Проведя всю ночь за работой, они доводили до ума свои проекты, затем честно являлись к завтраку, находили в столовой О’Брайена, отчитывались перед ним о своих успехах и получали новые задания на день, а потом разбредались по своим комнатам и укладывались спать. Трюк вскрылся только двадцать лет спустя.
Если в том океане нескончаемого солнечного света и были обычные приметы времени, так это завтрак! За редким исключением, все постояльцы лагеря выстраивали свой распорядок вокруг утреннего приема пищи. Официально завтрак начинался в полседьмого утра, и пятнадцать минут спустя зал заполнялся людьми. Массовое стремление посещать столовую было продиктовано как социальными, так и психологическими мотивами: за завтраком обсуждали планы полевых исследований, вносили уточнения в расчеты, делились информацией о новых вакансиях и решали споры, кто быстрее надует лодку «Севилор 66». Находясь на станции, теоретически можно было жить исключительно в своем собственном ритме, не обращая внимания на другие часы, а то и вовсе оторваться ото всех графиков, но в этом нет никакого практического смысла. Любой научный проект, в котором задействовано более одного человека, предусматривает подчинение общему распорядку, иначе совместная работа не клеится: к примеру, в полдень вы встречаетесь в доке, ровно в девять вертолет улетает на площадку на берегу Анактувука, а в пятницу в полдевятого вечера в палаточной столовой танцуют сальсу.
* * *
Глядя на свои наручные часы, я вижу цифры, но с каждым днем, проведенным на Тоолике, цифры значат все меньше и меньше. Даже само по себе выражение «уходящий день» уже потеряло значимость. Я живу одним нескончаемым днем с короткими перерывами на сон, а потом, пробудившись, с удивлением узнаю, что проспал несколько часов, на что мне указывают цифры. Сон перестал играть роль границы между сутками, отсекающей вчерашний день от сегодняшнего, которая теперь представляется весьма условной. Я заметил, что начал проводить больше времени в телефонной будке, названивая домой и на Большую землю по Т 1-линии.
Меня все чаще посещают сны о времени. Мне снится, что дети разбили мои наручные часы и разбросали осколки по полу; что я бреду по песчаным дюнам и внезапно, поскользнувшись, падаю на дно каньона и не могу оттуда выбраться; мои друзья не знают, где я, а сам я не могу до них докричаться. Остается лишь спуститься в каньон еще глубже и наблюдать, как свет дня за моей спиной медленно угасает под монументальными массивами дюн, осознавая, что в любой момент верхний свод может обрушиться без единого звука и похоронить меня под лавиной песка.
Сон практически точно воспроизводит реальные впечатления – в домашней библиотеке мне довелось читать книгу об альпинисте, который упал в расщелину и сломал ногу. Не находя в себе сил карабкаться наверх, он ползет вниз, пробираясь сквозь темноту к самому сердцу гор, а для поддержания сил слизывает влагу с замшелых камней и волей счастливого случая обнаруживает выход, ведущий к залитому солнцем склону. Но до лагеря еще несколько километров пути, и он продолжает ползти по фантастическому лабиринту, минуя мосты природного льда, овраги, густо усеянные валунами, и скалистое побережье подземного озера. По воле автора, незадачливого альпиниста подгоняло тиканье наручных часов: он отрывает лицо от снега и замечает межевой знак на расстоянии порядка сотни-двух метров впереди, бросает взгляд на свои наручные часы и говорит себе: «У тебя есть ровно двадцать минут на то, чтобы выбраться отсюда», – и, собравшись с силами, продолжает ползти по направлению к ориентиру. Голос, который он при этом слышит, ему не принадлежит – его подгоняет бесплотный голос всех времен, не терпящий возражений, звучащий эхом в его голове. Ближе к концу, незадолго до того, как главного героя, лежащего вблизи лагеря в полуобморочном состоянии, обнаружит один из его товарищей, измученный жаждой альпинист, полностью потерявший ориентацию, лежит без сна под ночным небом, густо усыпанным звездами, и ему кажется, что он провел в здешних краях несколько веков.
Безмятежный покой, наводняющий богом забытые места, подобные станции на Тоолике, легко по ошибке принять за безвременье, но время никогда не уходило отсюда. Оно всегда было здесь, в бегущих облаках, в едва уловимом шевелении зоопланктона, в морозах и оттепелях, в эонах, рассеянных по тундре. В наше время изменения в экосистемах происходят быстрее, и это стало поводом для беспокойства. Среднегодовые температуры демонстрируют тенденцию к стабильному повышению и на Тоолике, и по Арктике в целом. Грозы, еще тридцать лет назад считавшиеся редкостью в Норт-Слоуп, теперь стали привычным делом. Ученые подозревают, что таяние морских льдов Северного Ледовитого океана приводит к изменениям режима погоды, в результате которых в арктическом поясе снижается относительная влажность воздуха и создаются благоприятные условия для возникновения молний. В 2007 году, когда на станции были зарегистрированы рекордные показатели температуры и сухости воздуха, от удара молнии в тундре над рекой Анактувук за тридцать километров от озера Тоолик разгорелся пожар, бушевавший десять недель. От огня пострадало около тысячи квадратных километров тундры – территория, равная площади полуострова Кейп-Код. Это был самый разрушительный пожар в тундре за всю историю Аляски, а возможно, что и планеты в целом. В то лето, когда я посетил Тоолик, ученые были всецело поглощены составлением карты ущерба, нанесенного пожаром. Из-за потери изолирующего слоя торфа на поверхности земли почва стала сильнее прогреваться, а в некоторых местах частичное таяние вечной мерзлоты вызвало оползни, смывшие в море значительное количество почвы, насыщенной питательными компонентами.
БЕЗМЯТЕЖНЫЙ ПОКОЙ, НАВОДНЯЮЩИЙ БОГОМ ЗАБЫТЫЕ МЕСТА, ПОДОБНЫЕ СТАНЦИИ НА ТООЛИКЕ, ЛЕГКО ПО ОШИБКЕ ПРИНЯТЬ ЗА БЕЗВРЕМЕНЬЕ, НО ВРЕМЯ НИКОГДА НЕ УХОДИЛО ОТСЮДА
Однажды утром я последовал за гидробиологом Линдой Диган из Вудс-Хол, когда она отправилась к реке Купарук, которая спускается с хребта Брукс, следуя к бухте Прудо-Бей вдоль Норт-Слоуп. С восьмидесятых годов Диган приезжает на Тоолик изучать миграции сибирского хариуса: весной рыба уходит на нерест вниз по реке, а в конце лета возвращается на прежние места. Сибирский хариус – единственный вид рыб в реке Купарук, который служит основной добычей для некоторых хищных птиц и более крупной озерной форели. Отслеживая миграционные пути хариуса во время полевого сезона и в течение нескольких лет, Диган пытается составить представление о масштабе и характере влияния климатических изменений на численность популяции хариуса и природу миграций рыбы. Она собирает данные о том, куда, на какое расстояние и с какой скоростью перемещается рыба, а также как влияют изменения в миграционных предпочтениях хариусов на экосистему в целом.
Как и у других видов мигрирующих животных, у хариуса генетически заложена способность ориентироваться по солнцу. Весной в Арктике каждый новый световой день на 8–10 минут длиннее предыдущего. Циркадная система регуляции животных отвечает на удлинение светового дня, запуская каскад физиологических процессов, которые готовят организм рыбы к нересту и предстоящей миграции вниз по реке. Диган интересуют проблемы регуляции жизненного цикла насекомых, которыми подпитывается хариус во время путешествия: известно, что цикл жизни насекомых привязан к температуре воды, а не к освещению. Возможно, при повышении среднегодовых температур сезон активности насекомых наступает несколько раньше, чем обычно; вероятно, они выводятся до того, как хариус, замкнутый в рамках неумолимого суточного цикла, отправится в путь и в полной мере воспользуется изобилием. При этом оба жизненных цикла, один из которых движим теплом, а второй – солнечным светом, рискуют когда-нибудь разойтись во времени. Сама Диган еще не рассчитала вероятность такого развития событий, так как феномен в реалиях Арктики еще не до конца изучен. «Просто у меня такое ощущение», – говорит исследовательница.
В любой точке земного шара ученые собирают свидетельства нарастания несоответствий между температурой воздуха и временем. С тех пор как весны стали теплее, некоторые перелетные птицы стали прилетать на брачные игрища в Арктику на две недели раньше, чем в былые годы, создавая большие неудобства припозднившимся особям. Многие виды неперелетных птиц перемещаются дальше на север, чтобы достичь Арктики, где им приходится конкурировать за ресурсы с местными видами. Некоторые виды обладают большим запасом адаптивности, чем другие. К примеру, у многих растений, произрастающих у берегов озера Уолден-Понд, сезон цветения наступает раньше, чем в прошлые годы, причем сейчас они цветут более пышно, чем во времена Генри Дэвида Торо. Организмы, у которых сезонное поведение определяется преимущественно циркадной цикличностью, оказываются в более уязвимом положении. Пеструшка-мухоловка зимует в Западной Африке, а весной гнездится в европейских лесах; ее график миграций связан с продолжительностью светового дня и практически неизменен. Вместе с тем птицы выкармливают птенцов гусеницами, которые сейчас появляются раньше, чем двадцать лет назад. В некоторых регионах птицы добираются до своих гнездовий слишком поздно, когда корма для птенцов уже почти не остается. В результате местные популяции пеструшки-мухоловки уже сократились на девяносто процентов. Создается впечатление, как будто вся планета сейчас переживает что-то вроде синдрома смены часовых поясов. Одни виды приспособятся к потеплению климата и, быть может, даже выиграют от этого, сместив привычные сроки миграций на более раннее или более позднее время, или переключатся на новую кормовую базу. Другие виды не смогут адаптироваться к изменившимся условиям и исчезнут с лица земли.
* * *
Испытать чувство безвременья или нечто похожее можно в глубоком подземелье или на Крайнем Севере, в середине полярной ночи или в свете бесконечного дня. Но есть и более простые способы добиться желаемого эффекта – достаточно взять билет на самолет, и чем дальше, тем лучше.
Для начала вспомним физику: во время авиаперелета вы находитесь в воздухе на высоте в несколько километров и передвигаетесь с высокой скоростью, которая имеет тенденцию к снижению по причине воздействия гравитации. Из специальной теории относительности Эйнштейна следует очень необычный вывод: время внутри быстро движущегося объекта течет медленнее, чем время наблюдателя, находящегося в состоянии покоя. Эксперименты подтвердили теоретические выкладки: выяснилось, что атомные часы на борту реактивных самолетов отстают от стационарных часов на земле. Разница в показаниях может составлять от пары-тройки наносекунд до нескольких часов. (В салоне самолета продолжительность временного промежутка, определяемого как секунда, не изменяется: каждая секунда длится ровно столько же, сколько предыдущая, однако наблюдатель, находящийся в неподвижной системе координат, определит ее как более длительную.) Эффект хотя и незначительный, но вполне ощутимый. В марте 2016 года астронавт Майк Келли вернулся на Землю, проведя триста двадцать дней на орбите. Космическая станция, на которой он находился, кружила вокруг нашей планеты со скоростью порядка 29 тысяч километров в час. За это время оставшийся на Земле брат-близнец астронавта по имени Марк, который родился на шесть минут раньше Майка, успел состариться на дополнительные пять миллисекунд.
Кроме того, наша планета разделена на часовые пояса, расположенные в меридиональном направлении с интервалом в пятнадцать градусов. Всего насчитывается двадцать четыре часовых пояса шириной в один час каждый. Начало отсчета времени, принятое за нуль, находится в городе Гринвич (Англия), где расположена Королевская обсерватория. Поскольку Земля представляет собой шар, который постоянно вращается вокруг своей оси, солнце не может равномерно освещать всю поверхность планеты; световой день не может наступить везде одновременно. Благодаря разделению поверхности Земли на часовые пояса фраза «двенадцать часов дня» в любой точке мира воспринимается одинаково: повсеместно известно, что речь идет о середине суток, когда солнце находится в зените, хотя в данный конкретный момент полдень наступил только в одном из часовых поясов.
Часовые пояса входили в обиход постепенно; необходимость в них возникла в XIX веке, когда понадобилось согласовывать между собой расписания движения поездов в связи с планомерным расширением сети железных дорог. К 1929 году большинство стран мира приняло почасовую схему деления на часовые пояса. С другой стороны, в наши дни есть страны, в которых приняты часовые пояса шириной по полчаса или даже по сорок пять минут, как, например, в Непале. А Китай, быстро прираставший новыми территориями, избрал противоположную стратегию и в 1949 году объединил пять часовых поясов, проходивших через его территорию, в один большой часовой пояс.
В наш век общедоступных авиапутешествий мы регулярно пересекаем границы часовых поясов. За время перелета из Парижа в Нью-Йорк, который длится семь часов, шестичасовая разница во времени между городами успевает нивелироваться. Часы показывают местное время, их показания зависят от вашего местонахождения. Если вы находитесь на борту самолета, летящего с большой скоростью, и любуетесь бескрайней гладью океана из иллюминатора, ваши представления о «здесь» и «сейчас» меняются с каждой секундой. Мои наручные часы могут быть все еще настроены на парижское время, отставая от меня на несколько часов, но справочная карта на изголовье стоящего впереди кресла сообщает мне нью-йоркское время, хотя до Нью-Йорка лететь еще несколько часов. Так что сейчас я пребываю в неопределенном промежутке времени, который кажется бесконечностью.
Во время перелета мы ориентируемся по центральному времени, которое показывают приборы в кабине пилотов, а функции супрахиазматического ядра выполняет командир воздушного судна.
Показания всемирного координированного времени, которое показывают атомные часы в разных уголках мира, взвешиваются на эталонных весах, просеиваются сквозь сито алгоритмов, рекомендованных Международным бюро мер и весов в Париже, и непрерывно транслируются со спутников. Сигналы воспринимают системы управления находящихся в рейсе торговых судов, арендуемых авто и самолетов. За пределами кабины пилотов у каждого свои часы. Кто-то из пассажиров дремлет, кто-то перекусывает. Некоторые готовятся к предстоящему совещанию, назначенному на вторую половину дня, а кое-кто все еще приходит в себя после отчаянной попытки успеть на самолет ранним утром. Внимание других полностью захвачено кинофильмом, и они сейчас пребывают во времени вымышленного сюжета – бесконечно далеко отсюда, где всегда наступает счастливый конец. На пути в Западное полушарие, озаренном постоянным освещением, мы полностью отстранены от каких-либо примет времени и следуем собственному распорядку, не сверяясь с центром.
До сих пор не выяснено до конца, каким образом супрахиазматическое ядро мозга распространяет сигналы времени среди органов и систем человеческого организма. Зато известно, что это длительный процесс, занимающий от нескольких часов до нескольких дней. При пересечении нескольких часовых поясов или в течение одного-двух дней после перехода на зимнее или летнее время происходит резкая смена режима освещения, вынуждающая организм быстро адаптироваться к новому графику. Однако периферийные часы не перестраиваются в одночасье и в последовательном порядке. На какое-то время ваш организм прекращает функционировать как синхронизированная конфедерация внутренних часов и превращается в конфедерацию временно автономных часовых штатов. Такова сущность состояния, известного как джетлаг, или синдром смены часовых поясов. Когда супрахиазматическое ядро моего мозга приземлится в Нью-Йорке, моя печень будет еще в Новой Шотландии, а поджелудочная железа – где-нибудь над Исландией. В течение нескольких дней пищеварительная система будет хандрить: когда мозг скомандует принимать пищу, окажется, что пищеварительные органы еще не успели подготовиться к утилизации продуктов. (Скорость адаптации к новому времени составляет примерно один часовой пояс в день.) По этой причине многие путешественники и пилоты авиалиний, часто преодолевающие большие расстояния, жалуются на гастроэнтерит. Так что синдром смены часовых поясов – это не частная проблема мозга, а системный сбой в работе организма, вызванный рассинхронизацией биологических часов.
ОДИН ИЗ ВОЗМОЖНЫХ СПОСОБОВ БОРЬБЫ С НЕПРИЯТНЫМИ ПРОЯВЛЕНИЯМИ СИНДРОМА СМЕНЫ ЧАСОВЫХ ПОЯСОВ: НЕОБХОДИМО ВОЗДЕРЖИВАТЬСЯ ОТ ПРИЕМА ПИЩИ НА БОРТУ САМОЛЕТА
В научной литературе периферические внутренние часы организма иногда называют вторичными или ведомыми, поскольку они подчинены супрахиазматическому ядру. На самом деле наши периферические часы в состоянии функционировать автономно, а в благоприятных условиях они даже приобретают способность к синхронизации циркадных ритмов не по указке внутреннего хронометра и не по естественному суточному циклу изменения освещенности, а по любым импульсам, получаемым извне. Как выяснилось, пища служит убедительным источником вводных данных для некоторых звеньев внутреннего часового механизма. За прошедшее десятилетие было проведено несколько исследований, которые выявили, что регулярный прием пищи в одно и то же время может вызвать сдвиг фаз циркадного ритма печени в обход светового распорядка, транслируемого мозгом. Также не исключено, что печень начнет генерировать собственные циркадные импульсы. В таких случаях суточная активность печени будет определяться часами приема пищи, а не астрономическим временем. «Если лабораторную мышь кормить в середине цикла сна, она вскоре научится самостоятельно просыпаться перед кормлением, – говорит Крис Колуэлл, ведущий специалист Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе по исследованиям циркадных биоритмов. – Я привожу студентам пример: если курьер будет каждый день приносить вам пиццу на дом в четыре часа утра, то могу поручиться, что вы будете просыпаться в полчетвертого».
Отсюда вытекает один из возможных способов борьбы с неприятными проявлениями синдрома смены часовых поясов: необходимо воздерживаться от приема пищи на борту самолета, когда стюардесса будет разносить закуски. Протокол обязывает бортпроводниц предлагать пассажирам подкрепиться спустя каждые два-три часа полета, причем расчет ведется по времени, установленному в начальной точке маршрута. Во время транзитного рейса в отсутствие привычных световых импульсов печень заведет свои внутренние часы и накрепко привяжет ваш организм к часовому поясу, который вы хотите оставить позади, поэтому заводить биологические часы и выстраивать распорядок питания лучше всего уже по прибытии к месту назначения. «Мы даем путешественникам один и тот же совет – как можно скорее выйти на свет, наладить режим питания и окунуться в общественную жизнь», – говорит Колуэлл. Также он горячо одобряет завтраки. «Коль скоро человеческий организм в некоторых отношениях работает так же, как и организм лабораторной мыши, то завтрак нужен нам для поддержания циркадных импульсов, чтобы не быть ослабленным в отсутствие световых импульсов», – объясняет ученый.
Исследования, проведенные группой Колуэлла, наводят на мысль, что систематические занятия физкультурой также позволяют управлять циркадной регуляцией. В ходе экспериментов с мышами у животных, которым был предоставлен доступ к беговому колесу, отмечалась более высокая интенсивность синхронизирующих импульсов супрахиазматического ядра по сравнению с менее активными особями. Положительное влияние физической активности увеличивалось, если мышам позволяли бегать в колесе только в начале периода бодрствования, а максимальную пользу от упражнений получили мыши, у которых был выявлен дефицит одного из специфических белков, обеспечивающих работу биологических часов. Когда такие животные получали доступ к беговому колесу в конце периода активности, способность супрахиазматического ядра к трансляции синхроимпульсов сердцу, печени и другим внутренним органам значительно улучшалась. Чем больше мыши бегали, тем лучше работали их биологические часы. Пока рано делать выводы о том, что регулярные занятия спортом в одно и то же время окажутся в той же степени полезны людям, но такая возможность представляется Колуэллу очень заманчивой, так как с возрастом наш внутренний хронометр изнашивается. «Мне около пятидесяти лет, и у меня уже проблемы с ночным сном, – признается Колуэлл. – А еще я стал быстрее уставать за день». Так что стареет даже время.
Синдром смены часовых поясов со временем проходит, но люди находят и более долгоиграющие способы внести разнообразие в стандартное чередование светлого и темного времени суток с удручающими последствиями для здоровья. Миллионы американцев работают по сменному графику – взять, к примеру, ночные рейсы дальнобойщиков, вечерние смены в центрах экспедиционного обслуживания или совершенно безумный график дежурств в больницах. Многие страдают от того, что в терминах хронобиологии называется социальным джетлагом и имеет куда более серьезные последствия, чем временный дискомфорт или бытовые неудобства. Одна из ключевых задач биологических часов заключается в контроле метаболических процессов: они следят за тем, чтобы мы ели, когда испытываем чувство голода, а наши клетки при этом получали бы достаточное количество необходимых питательных веществ в положенное время. Многие исследователи заключают, что люди, привыкшие работать во внеурочные часы, более склонны к ожирению, сахарному диабету и сердечно-сосудистым заболеваниям. Поступает все большее количество свидетельств, указывающих на существование тесной связи между нарушением обмена веществ и расстройством циркадного ритма, в частности расхождением циклов чередования сна и бодрствования с показаниями биологических часов. Под нарушением обмена веществ подразумевается широкий спектр патологических состояний, включая сахарный диабет, развивающийся на почве рассогласования деятельности пищеварительной системы и процесса производства и аккумулирования энергии.
Общество готово выделять миллионы долларов на бесконечные попытки выяснить, какие продукты нужно употреблять в пищу для поддержания здоровья, хотя, возможно, не менее важно выяснить, когда лучше садиться за стол. Как показало одно из недавних исследований, мыши, которые предпочитают кормиться тогда, когда им следовало бы спать, а именно в неподходящее с точки зрения циркадного цикла время, быстрее набирают вес по сравнению с мышами, которые питаются вовремя. До недавних пор в научно-исследовательских проектах, посвященных проблеме расстройства циркадных ритмов, фигурировали преимущественно грызуны и нечеловекообразные приматы, но сейчас клиницисты уделяют все больше внимания экспериментам с участием людей, и результаты вызывают большую обеспокоенность. В одном исследовании Гарвардского университета принимали участие десять добровольцев, обученных жить по двадцативосьмичасовому суточному циклу. На четвертый день опыта периоды активности участников поменялись местами: они бодрствовали и принимали пищу среди ночи. Спустя еще четыре дня суточный распорядок добровольцев нормализовался. В итоге за десять дней эксперимента у всех испытуемых показатели кровяного давления взлетели до небес, уровень сахара в крови также превышал норму, а у трех участников было диагностировано преддиабетическое состояние. Впоследствии было установлено, что причиной резкого ухудшения здоровья добровольцев послужил не сам по себе недостаток сна, а прием пищи в те часы, когда пищеварительные органы и жировые клетки не были готовы к утилизации продуктов питания. «Для радикальных изменений в системе метаболизма глюкозы хватило всего нескольких дней, – писал один из экспериментаторов. – Быстрое развитие патологических изменений дает понять, что даже временное нарушение суточного ритма может нанести ущерб здоровью миллионов людей, каждый год сталкивающихся с синдромом смены часовых поясов».
У нынешней эпидемии ожирения множество причин, в том числе наш сидячий образ жизни и совсем не образцовая диета. Данные исследований в области хронобиологии обнаруживают еще одну скрытую подоплеку: мы все чаще распространяем свою активность на неположенное время суток. «Нам досталась безупречно отлаженная система хронометрирования внутренних процессов, работающая по устоявшимся правилам, – замечает Колуэлл. – Чистое безумие полагать, что изобретение электрического освещения позволяет нам ее игнорировать».
* * *
Если ученые не ошибаются, рано или поздно состоится высадка человека на Марс. Это воистину грандиозное начинание: Красная планета находится на расстоянии 58 миллионов километров от Земли, так что один только перелет до Марса с применением сегодняшних технологий двигателестроения займет около шести месяцев, которые участники экспедиции проведут в замкнутом пространстве под искусственным освещением, чувствуя себя запаянными в консервной банке. По мере удаления от Земли защитное действие магнитного поля планеты прекратится, так что в целях минимизации вреда от космического излучения на космическом корабле не предусмотрены иллюминаторы, к тому же из них все равно ничего не будет видно, кроме темноты и звезд. Ученые уже задумываются о том, как сделать условия полета более или менее терпимыми для пассажиров: какая пища окажется максимально полезной и вкусной, какими занятиями можно разогнать скуку и как справиться с ситуацией, требующей неотложной медицинской помощи. В общем, мы когда-нибудь доберемся до Марса. Вы выберетесь из консервной банки под палящие лучи летнего марсианского солнца и поспешите в укрытие, на роль которого сгодится любая постройка, хотя бы отдаленно напоминающая жилье, – скорей всего, ею окажется еще один блок-контейнер без окон с искусственным освещением, приглушенным из соображений экономии электроэнергии.
Наш первый день на Марсе станет самым длинным в истории человечества. Красная планета вращается вокруг своей оси не так быстро, как Земля. Продолжительность марсианских суток составляет 24,65 земного часа – на тридцать девять минут больше, чем на нашей планете. На первый взгляд, разница не так уж и велика, но для организма она весьма существенна: в ходе естественного отбора система циркадной регуляции человека приспособилась к суточному циклу, который короче на целых тридцать девять минут. В скором времени новые марсиане ощутят на себе побочные эффекты искусственного продления суточного цикла. «Это будет похоже на путешествие через два часовых пояса каждые три дня, – объясняет Лаура Бергер, физиолог Гарвардской медицинской школы и Женской больницы Бригхэма в Бостоне. Совместно с Чарльзом Кзейслером, руководителем отделения сомнологии в Гарварде и Женской больнице, и другими коллегами Бергер занималась изучением циркадной регуляции у астронавтов, находящихся на орбите, и у сотрудников службы управления полетом, которые должны поддерживать постоянную связь с астронавтами. В ходе одного из исследований ученые набрали группу добровольцев и попытались помочь им адаптироваться к суточному циклу продолжительностью 24,65 часа. «Циркадная система регуляции не поддается искусственной настройке, – заключает Бергер. – Участники эксперимента страдали от расстройства сна и пугали нас мертвенной бледностью».
В 2007 году Кзейслер провел эксперимент, задавшись целью выяснить, можно ли заставить биологические часы перейти к суточному циклу продолжительностью двадцать пять часов, приближенному к условиям на Марсе, используя искусственное освещение определенного диапазона несколько раз в день. Двенадцать добровольцев провели шестьдесят пять дней в тускло освещенных камерах без часов, окон и других временных ориентиров. В течение первых трех дней испытуемые жили по двадцатичетырехчасовому циклу, затем ученые увеличили продолжительность освещения на час, успешно продлив период бодрствования на час для каждого из участников эксперимента. Интенсивность освещения увеличивалась не за один прием; ближе к концу каждого суточного цикла длиной 24,65 часа исследователи включали освещение примерно такой же яркости, что и на рассвете или на закате. Низкоинтенсивное освещение подавалось сеансами по сорок пять минут с интервалом в один час. Спустя тридцать дней эксперимента добровольцы перешли к двадцатипятичасовому суточному циклу и успешно адаптировались к нему.
УПРАВЛЯТЬ ЦИРКАДНЫМИ РИТМАМИ ВОЗМОЖНО, А ЗНАЧИТ, ВОЗМОЖНО ОДЕРЖАТЬ ВРЕМЕННУЮ ПОБЕДУ НАД СОЛНЕЧНОЙ СИСТЕМОЙ И ЕЕ БЕЗРАЗДЕЛЬНОЙ ВЛАСТЬЮ НАД ФИЗИОЛОГИЕЙ ЧЕЛОВЕКА
Таким образом, научные данные наглядно продемонстрировали, что управлять циркадными ритмами все-таки возможно, а значит, есть возможность одержать временную победу над Солнечной системой и ее безраздельной властью над физиологией человека, пусть даже совсем небольшую. Получив в распоряжение дополнительный час, как распорядится им человечество будущего? Вероятно, дополнительное время будет использовано для труда. В своей работе исследователи отмечают, что производственная деятельность в условиях полета предусматривает в том числе и «выращивание сельскохозяйственных культур в ярко освещенном оранжерейном модуле». А потом все мы выпьем по чарке, любуясь видом из несуществующего окна, и будем просматривать старые фотографии с Земли.
30 ноября 1999 года, спустя тридцать семь лет после нисхождения в пещеру Скарассон, Мишель Сифр приступил к своему третьему и, по всей видимости, финальному эксперименту по депривации времени. Теперь ему шестьдесят лет, и он намерен изучить влияние процессов старения на систему циркадной регуляции. Он снова выбрал для проведения опыта естественную пещеру – карстовую систему Грот де Кламуз в южной части провинции Лангедок, Франция. Широкая деревянная платформа снова встроена в просторную каверну, обтянутую нейлоновым навесом.
У входа в пещеру ученые, доброжелатели и участники группы медиаподдержки не могут удержаться от восхищенных возгласов, когда Сифр, в шахтерском шлеме с лампой, снимает наручные часы, машет рукой на прощание, в последний раз обернувшись перед пещерой, и исчезает во тьме подземелья.
Жилой блок ученого, как и в предыдущих экспериментах, залит светом галогенных ламп. На материалах видеосъемки, сделанной самим Сифром, ученый предстает перед зрителем, сидя за верстаком и поедая лосося из жестяной банки, одновременно занося данные о приеме пищи в компьютер. Исследователи, занимающие отдельное помещение за пределами пещеры, постоянно отслеживают вводимые Сифром данные, его повседневные занятия и сведения о физическом благополучии. Сифр носит зеленые резиновые сапоги и красный флисовый жилет, которые не снимает даже во время ходьбы на лестничном тренажере, собирает мочу в стеклянные сосуды и спит в спальном мешке, привязанном к шезлонгу. При желании он может отдохнуть лежа и расслабиться за книгой – на расстоянии вытянутой руки находится книжная полка, доверху заставленная томами. Он никогда не разговаривает сам с собой, но иногда поет песни.
В понедельник 14 февраля 2000 года Сифр покидает свою геологическую утробу. Снова раздаются приветственные восклицания и аплодисменты, вспыхивают объективы телекамер. Он снова продемонстрировал на своем примере, что биологические часы человека, предоставленные самим себе, отстают от вращения Земли. Прошло семьдесят шесть дней с тех пор, как Сифр углубился в подземелье, но ему кажется, что пролетело всего шестьдесят семь дней, что сегодня пятое февраля. Ранним утром первого января, когда весь мир радостно встречал новое тысячелетие (и попутно вздыхал с облегчением, убедившись, что компьютеры не вышли из строя), Сифр бездействовал: на его календаре было двадцать седьмое декабря, а Новый год он отпраздновал в тот день, когда в мире наступило четвертое января.
Спустя годы Сифр в одном из интервью признался, что длительная изоляция под землей создает иллюзорное ощущение продолжения в вечность настоящего момента. «Все время пребывания в подземелье ощущается как один долгий день. Пробуждение и отход ко сну – единственные перемены, возможные в мире, где ничего не происходит. И ко всему прочему, вокруг непроглядная темнота». Выбравшись из Грот де Кламуз, Сифр доверительно сообщил одному из репортеров: «У меня сложилось такое впечатление, что у меня ухудшилась память. Я даже не могу вспомнить, что я делал вчера или позавчера в подземелье».
Теперь же он наконец-то вышел к свету. Ему радостно просто находиться здесь, под открытым небом, в той версии настоящего, которое имеет свойство начинаться и заканчиваться. «До чего же восхитительно снова видеть над собой синеву небес», – сказал ученый.